基于STM32的鋼絲繩缺陷定量檢測系統設計

鐘小勇，劉志輝，張小紅

（江西理工大學 理學院，贛州341000）

鋼絲繩是由多股鋼絲螺旋型捻制而成的承載構件。隨著社會經濟的快速發展，礦山、港口、建筑及其它相關行業的起重設備日趨大型化，所需鋼絲繩數量、種類越來越多，其結構越趨復雜。鋼絲繩多數處于相對惡劣的運行環境之中，自然侵蝕情況嚴重，是典型和共性危險源與隱患所在地[1-2]。

針對鋼絲繩缺陷檢測的狀況，本文提出了一種以STM32 處理器為核心的智能檢測系統。系統能夠檢測記錄缺陷的位置、缺陷的數量或缺陷的嚴重程度，并實時發出聲光警示。該系統既可獨立地對鋼絲繩實施檢測， 又可將數據送至上位機進一步處理，實現保存、對比、查閱等功能。系統智能化程度較高，并便于安裝使用，能夠較好地滿足鋼絲繩檢測的需求。

1 系統總體結構

鋼絲繩缺陷定量檢測系統由傳感器、信號放大濾波調理電路、A/D 轉換、STM32 處理器系統、 存儲器系統、人機交互系統以及計算機通信接口電路等組成。鋼絲繩定量檢測系統結構框圖如圖1所示。

圖1 定量檢測系統結構框圖Fig.1 Block diagram of quantitative detection system

系統硬件主要包括以下幾個部分：

漏磁信號檢測漏磁信號檢測部分由傳感器、信號放大及濾波電路構成。傳感器檢測缺陷漏磁場信息，經信號調理電路放大、濾波處理，滿足后續A/D轉換電路對信號幅度的要求。

A/D 轉換A/D 部分將模擬信號轉換為數字信號，供STM32 分析、處理。

STM32 處理器檢測系統采用嵌入式STM32F407處理器， 該處理器控制鋼絲繩漏磁信號的數據采集、命令及參數的輸入、檢測波形及結果的輸出，同時該處理器完成漏磁信號的數據處理及預處理、數據分析、數據存儲及與上位機通信等工作任務。

人機交互輸入采用薄膜按鍵輸入，用于輸入命令及檢測的參數。

人機交互輸出采用LCD 顯示器，用于顯示檢測波形以及最終結果。

數據存儲采用Flash 及SRAM 存儲器芯片，將檢測的相關數據進行保存。

計算機通信通過USB 接口電路將檢測的相關數據傳送至上位機中。

2 系統硬件電路設計

2.1 漏磁信號的拾取

鋼絲繩是由鐵質材料制作而成的承載構件，其磁導率遠高于非鐵質的物質。利用由稀土永磁體組成的勵磁裝置對鋼絲繩進行磁化至飽和狀態[3]。如果鋼絲繩上沒有缺陷，磁力線通過鋼絲繩及勵磁裝置構成回路，并均勻通過鋼絲繩；如果鋼絲繩上存在缺陷，則缺陷周圍會有漏磁場產生[4-5]。通過磁敏元件檢測鋼絲繩周圍漏磁場并轉化為電壓信號，供后續電路分析。漏磁信號拾取的原理參見圖2，其中的漏磁場的強弱與缺陷大小、缺陷造成的鐵質損失量相關[6]。

圖2 漏磁信號的拾取原理Fig.2 Principle of magnetic flux leakage signal pickup

磁敏元件的類型較多，其中性能比較突出的有HALL 元件，具有結構尺寸較小、靈敏度較高、輸出信號不受檢測速度影響等優點。HALL 元件輸出電壓可表示為

上式中，在一定條件下為固定的常數。另外，在集成HALL 元件中，內部一般包括了恒流源，只需提供HALL 元件電源電壓在一定的范圍之內， 電流I就能保持恒定。這樣，霍爾元件的輸出電壓V 正比于磁通密度B，通過測量霍爾元件的輸出電壓V 能得出磁場大小，并且與傳感器相對鋼絲繩之間的檢測速度無關。檢測速度的變化如晃動也不會影響霍爾元件的輸出電壓。

由于單片HALL 元件的檢測范圍有限，不足以覆蓋鋼絲繩整個圓周360°的檢測范圍，因此，必須采用多片HALL 元件組合進行檢測。本系統采用16片、 靈敏度為5 mV/G 的HALL 元件G1321 組成一個圓周檢測環，均勻分布于鋼絲繩周向360°，采集鋼絲繩周圍的漏磁場。

2.2 信號調理電路

信號調理電路包括前置阻容耦合、信號放大器和用于抑制高頻干擾的低通濾波器。鋼絲繩缺陷產生的漏磁場往往比較弱小[7]，對應霍爾元件的輸出缺陷信號電壓為幾十個毫伏。用一級信號放大器和一級低通濾波器將信號放大至0～3.3 V，并降低外界噪聲干擾。系統采用的低通濾波器為二階有源低通濾波器，其電路如圖3所示。二階有源低通濾波器的截止頻率為

2.3 存儲器接口電路

圖3 低通濾波器電路Fig.3 Low pass filter circuit

系統擴展了一片SRAM 和一片Flash， 存儲器接口電路見圖4。SRAM IS62WV51216 的存儲容量為1 MB， 用于存儲鋼絲繩漏磁信號的檢測數據，以16 位方式連接在FSMC 存儲塊第2 區， 片選信號FSMC_NE2， 讀寫配置使用同一個時序寄存器。Flash 24C08 的存儲容量為1 kB，通過I2C 總線連接STM32F407， 用于存儲一些掉電不能丟失的重要數據，如鋼絲繩不同規格對應的原始數據等。

圖4 存儲器接口電路Fig.4 Memory interface circuit

2.4 STM32F407 最小系統

STM32F407 最小系統由電源電路、 復位電路、JTAG 接口、外接的晶體振蕩電路等組成，如圖5所示。STM32 芯片的供電電壓為2.0～3.6 V，系統設置了2 種供電方式。第一種方式是外接DC 9 V 電源，經MP2359 穩壓至DC 5 V； 第二種方式是直接用USB 的DC 5 V 輸出電壓供電。DC 5 V 經AMS117降壓至3.3 V，接到STM32F407 芯片，STM32 內部自帶電壓調整器，從DC 3.3 V 調整至1.8 V，供Cortex-M4 核作為工作電壓。系統外接8 MHz 晶振，經STM32F407 芯片內部的PLL（鎖相環）穩定至168 MHz，作為Cortex-M4 核的系統時鐘。

圖5 STM32F407 最小系統Fig.5 STM32F407 minimum system

2.5 USB 接口電路

本系統可通過USB 接口電路與上位機通信，USB 接口電路參見圖6。

圖6 USB 接口電路Fig.6 USB interface circuit

在初始化程序中，將STM32F407 的PA9、PA10分別設置為USART1_RX、USART1_TX 功能； 在接口電路中將PA9、PA10 分別接至CH340 芯片的TXD、RXD 引腳，經CH340 芯片，轉USB 接口。

3 系統軟件設計

系統主要功能是按照鋼絲繩規格，以一定的間隔等距離采集鋼絲繩周圍的漏磁信號，根據采集的數據定量識別鋼絲繩缺陷，在LCD 顯示結果或通過串口發送至上位機。本系統軟件開發主要在Keil uVision 5 集成環境下，利用STM32F4 固件庫，采用C 語言編寫相關程序。軟件主要包括系統初始化、A/D 采集、STM32 數據分析處理、 數據傳輸等模塊。系統主程序及A/D 轉換中斷流程如圖7所示。

圖7 軟件流程Fig.7 Flow chart of software

在程序設計過程中， 鋼絲繩缺陷定量識別是關鍵點。通過大量的實驗積累不同規格鋼絲繩、不同類型缺陷的特征量，保存在Flash 存儲器中，作為標準模塊來判斷鋼絲繩的完好程度。在線檢測之前，利用友好的人機界面輸入鋼絲繩規格，再進行自動識別。

4 測試結果與分析

在鋼絲繩缺陷檢測系統測試實驗中，使用的是一根規格為Φ28 mm，6×19 的鋼絲繩。在這根鋼絲繩不同位置上有5 處缺陷，每處缺陷有1～5 根斷絲不等，斷絲分布在周向不同的角度。用設計的缺陷檢測系統對這根鋼絲繩進行100 次測試，具體測試結果見表1。

從表1中可以看出， 當要求缺陷無誤判時，定量準確率≥92%；當允許斷絲誤差為1 根時，定量準確率≥96%。同一鋼絲繩截面不同斷絲相隔π/4 角度時，該系統能正確分辨。為便于查看確認，系統檢測到鋼絲繩缺陷時，有實時聲光報警。

表1 鋼絲繩缺陷檢測數據Tab.1 Testing data of the steel wire rope’s fault

5 結語

本文利用磁電效應方式，以STM32F407 處理器為核心，設計了鋼絲繩定量檢測系統。試驗表明，該系統能正確地判斷識別鋼絲繩上的缺陷。由于勵磁裝置磁力線能夠穿透各種非鐵質類的物質，該系統使用前無需對鋼絲繩進行清潔處理，適合鋼絲繩表面加了潤滑或油性保護層的工礦等企業使用。

第三屆世界智能大會在天津開幕

第三屆世界智能大會2019年5月16日在天津開幕。在為期4 天的會期內，大會將在“智能新時代：進展、策略和機遇”的主題下，探討智能科技帶來的新發展和新機遇。據了解，本屆大會共245 家智能科技領域的單位和企業參展，包括中國科學院、國家超算中心等27 家研究機構，華為、中車集團等38 家世界500 強企業以及60 家國內500 強企業，將在大會期間圍繞智能技術應用、立法、倫理、人才培養等展開討論。

此外，大會還擬定舉辦15 場高峰論壇，世界智能駕駛挑戰賽、中國華錄杯開放數據創新應用大賽、中國（天津）工業APP 創新應用大賽、世界智能水下機器人挑戰賽等賽事也將同期舉辦。

來源：經濟日報