基于STM32F4嵌入式的钢丝绳漏磁检测数据采集系统

2018-09-19，，，，，

无损检测 2018年9期

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(华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074)

钢丝绳作为人或物的承载和运输构件，是工业领域的“生命线”。钢丝绳在使用过程中会出现疲劳、锈蚀、磨损、断丝甚至断裂等现象，导致其承载能力及可靠性下降，这直接关系着生命和财产安全及经济损失[1]。所以，对钢丝绳进行无损检测及寿命预测就至关重要[2]。

从1906年南非科学家MECANN和CDSON研究的交变激励检测探头，到20世纪30年代左右,德国科学家CHAPPUZEAU研究的直流励磁检测探头，再变革为20世纪70年代MAGNOGRAPH研究的永磁激励检测探头，探头的结构经历了巨大的优化。直至20世纪80年代，以华中科技大学杨叔子院士、康宜华教授以及武新军教授为代表的无损检测团队提出了等空间采样技术理论，开发了GDJY-I型便携式钢丝绳无损检测仪，其后续组员孙燕华继续深入开展了大量的基础研究及技术开发工作[3-7]。1978年波兰对采集的钢丝绳缺陷信号进行了处理，通过数学模型的仿真计算，奠定了钢丝绳定量无损检测的基础。1987年美国无损检测(NDT)公司的WEISCHEDEL博士提出了测量钢丝绳磁通量的新理论,并发明了分体式线圈，大大改善了钢丝绳探头工艺的难题。1999年德国Stuttgart大学开发了一种新型磁敏感元件的探头，该传感器探头使用周向阵列的霍尔元件，波兰矿冶大学推出了基于漏磁检测原理的MD系列钢丝绳无损检测仪，主要用于检测直径为8～22 mm的钢丝绳缺陷。但这些钢丝绳检测仪仍未解决体积大、质量大、集成化程度低及不易手持操作的缺点，因此便携式钢丝绳漏磁检测仪的轻便化、易操作化和集成化一直是钢丝绳检测仪的发展趋势与目标。

1 钢丝绳检测系统设计方案

钢丝绳检测系统示意如图1所示，有别于现有的PC主机外加数据采集盒的这种离散结构设计，该便携式检测仪主要由嵌入式采集系统主机以及检测探头两部分组成。主机采用STM32F4嵌入式芯片，集成小体积模块化设计后，佩戴在操作员手臂上，这样可以在不影响操作员双手作业的情况下进行检测。而另一部分磁化器、传感器和编码轮则设计成了一个整体漏磁检测探头，该探头结构中的磁化器磁芯由内径为58 mm,外径为70 mm的环形径向充磁永磁体通过线切割分为两个半环，通过前期漏磁检测磁化器设计仿真及试验数据得知，当两组永磁铁相距20 mm时，磁敏感元件的缺陷识别度最高。同时，为减轻磁化器重量，导套采用尼龙加工制作，耐磨性和润滑性可以满足检测要求。磁敏感元件仍采用贴片电感周向阵列布置，并引出四个通道输出信号；佩戴在手臂上的数据采集模块与漏磁检测探头之间采用即插即用的快接头信号线连接，线长度可选，以方便双手操作空间为准。

图1 钢丝绳检测系统结构示意

2 数据采集系统

微处理器的选择决定了数据采集系统的效率，一款高效的微处理器可以保证在工作时数据采集的可靠性及稳定性，在选择时主要从以下4个方面考虑。

(1) 处理性能。时钟频率和内部寄存器的大小影响着芯片的处理性能，另外芯片的库指令能否适用于内外寄存器也决定着芯片的处理性能，选择与工作要求相匹配的处理器才是最佳选择。

(2) 技术指标。微处理器的通用性和可扩展性也是选择时所考虑的重要因素。好的通用性和高的可扩展性可以简化数据采集系统的设计过程。同时，处理器对DMA(直接内存存取)、中断控制器等外设的支持越全面，在后续编程仿真等处理时就越灵活。

(3) 功耗。随着集成化和智能化的发展，对微处理器要求也越来越高。超低功耗是微处理器的发展趋势之一。当前的微处理器速度不亚于电脑中奔腾处理器的速度，同时可选用12，5，3.3 V等直流供电，十分适合在无外接电源的环境下作业。

(4) 软件支持工具。对于微处理器的编程开发来说，开发工具越普及，在后续的使用与维护中越容易，也就变相降低了系统的维护成本。

几种常用的嵌入式微处理器的特点如表1 所示。

表1 常用嵌入式微处理器的特点

综合以上4点，最终选择了ARM架构的STM32F407ZET6作为钢丝绳无损检测仪的微处理器。STM32的ADC(模数转换器)模块具有其他微处理器所不具备的特点，其可以对多种模拟信号进行独立快速采集处理，这就为钢丝绳无损检测时的信号采集提供了平台。同时，其芯片支持DMA工作模式，DMA工作模式可以大幅降低处理器的工作量，极大优化主处理器的数据处理能力。提出的手持式钢丝绳无损检测仪选用STM32F407ZET6微处理器ADC的DMA工作方式，根据钢丝绳检测时的特点及环境，采用等时间采样和等空间采样两种方案。

图2 硬件采集电路板外观

缺陷信号的采集主要是应用了STM32F4的ADC模块，另外还有一些蜂鸣器模块、SD卡模块和液晶屏接口模块等。ADC模块可扩展16个通道用于外部信号的采集和初步处理，设计的数据采集应用了ADC的连续扫描和转换模式，当前ADC转换一结束马上就启动下一次转换，这个模式是通过TIM1时钟触发启动的，缺陷信号通过ADC模块采集转换后存储到预定义的数据寄存器中，同时使用DMA进行数据管理，程序的编写及调试主要在KEIL软件中完成。设计的硬件采集电路板外观如图2所示。

2.1 等时间采样

信号幅值随时间的变化即为等时间采样。在等时间采样工作模式下，预先设置好缺陷信号的最高最低阈值、滤波方式等，然后STM32的ADC模块开始进行数据采集，每隔相等的时间间隔采集一次数据，与初始设定阈值进行比较，如果超过设定阈值，则启动蜂鸣器报警，ADC采集的数据存储在DMA开辟的指定内存中，信号经过放大、滤波等处理方式，用于液晶显示屏的波形显示。等时间采样的工作流程如图3所示。

图3 等时间采样的工作流程

2.2 等空间采样

等空间采样是在等时间采样基础上的发展优化，即每隔固定距离显示一次波形信号，因此需要引入ADC的第二个通道用于输入脉冲信号。此处通过编码轮实现脉冲信号的输入，已知编码轮直径的情况下，就可以将脉冲信号转换为距离信号。同时数据采集前，需要设定步长用于波形显示。等空间采样的工作流程如图4所示。

图4 等空间采样的工作流程

3 液晶显示部分

采集系统外部液晶显示屏选用的是MD043SD，其分辨率为480×272，相比传统液晶显示屏驱动方式而言， MD043SD所使用的CPLD(复杂可编程逻辑器件)+SDRAM(同步动态随机存储器)驱动方式更加稳定，抗干扰能力大幅度提升，很少出现死机、白屏状况。同时该系列的液晶显示控制无需初始化，简化了开发程序的工作量，控制模块响应迅速，并且支持显示页和读写页的独立运行，非常适合钢丝绳检测仪的显示模块。

GUI的设计通过uCGUIBulider，针对等空间采样和等时间采样这两种不同功能设计了不同的人机交互界面(见图5)。主界面的不同之处在于右下角显示的参数不同，等时间采样显示的参数是最高阈值、最低阈值、当前采样频率、当前缺陷个数、校准的AD值和滤波方式[见图5(a)]；而等空间采样的主界面中的显示为设定步长和脉冲个数[见图5(c)]。同时，两种采样方式设置参数也有所不同[见图5(b)，5(d)]。

图5 不同的人机交互界面

图6 样机测试系统外观

图7 钢丝绳缺陷外观及波形信号

4 试验过程

搭建了针对φ40 mm钢丝绳样件的系统样机，并进行缺陷检测，对数据采集和处理以及液晶显示部分进行了测试与优化，样机测试系统外观如图6所示，包括精准磁化检测部分和数据显示采集系统两个部分。磁化器及编码轮总质量为1.47 kg，外观为一个直径80 mm，长10 mm的圆柱体；数据显示采集系统总质量为1.02 kg，尺寸(长×宽×高)为150 mm×40 mm×50 mm，续航时间为10～12 h，适应温度为-10～45 ℃，可适应大部分工作环境。试验时选取了任意3个通道作为钢丝绳缺陷信号的输入，液晶显示器中分别用黄色、绿色和白色信号线表示。图7(a)为位于绳股间的2根断丝缺陷及其波形信号，LCD(液晶显示器)中的两条红线表示设定的最高阈值和最低阈值，缺陷的信号超过设定的阈值，LCD右上角红色实心圆点亮，同时蜂鸣器报警提示缺陷存在；图7(b)为位于相邻绳股间的断丝缺陷，上侧端头位于绳股间，但存在稍微翘丝现象，下侧端头接近钢丝绳表面，LCD中显示的信号可以在一定程度上表明缺陷的特征；图7(c)中展示的是位于相邻绳股间的一根断丝缺陷，一侧断丝的端头完全隐藏到绳股中，另一侧端头接近钢丝绳表面，LCD中显示的信号是接近钢丝绳表面的端头信号。结合图7(b)，7(c)中LCD缺陷信号的特征，信号滤波功能可以有效地避免钢丝绳绳股信号的干扰，但也使得系统对绳股内单根断丝缺陷的识别不充分，距离比较近的较大缺陷会影响较小缺陷的信号，但系统整体测试是可靠的。