分析钢丝绳探伤报警系统设计与应用

　　1引言

　　在钢丝绳探伤检测中，要实现检测传感器到存储器的数据交换。USB移动存储器具有携带方便、操作快捷、成本低廉等优点。随着其技术的发展及广泛应用，如何实现使用单片机控制来完成移动存储这一过程成为了工控领域研究的热点。

　　USB还有一个显着优点就是支持热插拔，也就是说在开机的情况下，你也可以安全地连接或断开USB设备，达到真正的即插即用。 不过，并非所有的Windows系统都支持USB。目前，Windows系统中有许多不同的版本，在这些版本中，只有Windows98以上版本的系统对USB的支持较好，而其他的Windows版本并不能完整支持USB。例如Windows95的零售版是不支持USB的，只有后来与PC捆绑销售的Windows95版本才支持USB。

　　2USB功能模块简介

　　2.1模块概述

　　目前USB设备虽已被广泛应用，比较普遍的是USB2.0接口，它的传输速度为480Mbps每秒。用户的需求，是促进科技发展的动力，厂商也同样认识到了这个瓶颈。这时， COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS这7家厂商联合制定了USB 2.0接口标准。USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，比USB 1.1标准快40倍左右，速度的提高对于用户的好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。

　　MemMaster作为USB系统中的Host设备，带有一个RootHUB，可供用户接入作为Slave的USB移动存储器。MemMaster模块可以模块的方式，通过总线集成到用户的数据采集等系统中，以提供用户将获得的数据通过该模块以文件的形式保存在移动存储器中，以便需要时在PC机中进行处理。

　　MemMaster在集成到用户系统中后，表现为用户系统的一个外部双端口RAM。用户系统通过向该外部RAM的指定区域写入命令和相应的数据，来控制MemMaster模块的操作，双方实现协议交互。

　　2.2硬件配置

　　MemMaster支持USB1.1标准，写入速率达100KB/s（与测试环境有关），输入电压5V，工作电流100mA。INTR引脚作为从RAM到单片机的中断信号，BUSYR作为RAM的工作信号，SEMR作为同步信号，CER作为片选信号，其他引脚在此不做详述。

　　2.3接口使用

　　MemMaster通过双端口RAM，直接通过总线与用户的单片机系统相连。而该RAM中的部分区域不能使用、部分区域被用作协议命令和数据的交互，剩余的部分可以由用户自行控制使用。在双端口RAM中，区域分配如下：

　　0x0000-0xF8F区域已经被系统占用；

　　0x5F80-0x5FBF共64字节用于存放系统命令；

　　0x5FC0-0x5FFF共64字节用于存放系统响应；

　　0x6000-0xDFFF共32768字节用于存放数据部分；

　　0xE000-0xFFFD为用户系统可使用区域；

　　0xFFFE-0xFFFF两个字节被用作系统协议交互指示，用户不可用于数据存放。

　　用户系统与MemMaster系统的协议交互命令包括2种类型：Command和Response。Command由用户系统发往MemMaster系统，而Response为相反方向，由MemMaster发往用户系统。具体的实施在第四节中有介绍。

　　3系统设计

　　3.1系统工作原理

　　现在，钢丝绳的应用越来越广泛，为了保护人身和财产安全，钢丝绳探伤检测仪器也随之发展起来。目前，钢丝绳探伤检测多以PC机作为检测数据的接收和存储器件，但是这样成本高、携带不方便。当控制电路获得同步信号后，启动A/D转换，取得转换结果，系统对数据进行处理后，判断是否有断丝发生，如果有则报警。同时把数据写入移动存储器中在控制电路上电时就建好的文件中，以便将来分析处理。

　　3.2系统配置

　　在此，A/D转化器件采用的是MAX186[3]，MAXl86将8通道模拟开关、大带宽跟踪／保持电路、12位A／D转换器和移位寄存器集成到一片20脚双列直插芯片上，消除了传输误差，提高了采样和转换。它的SCLK引脚作为时钟信号输入，作为片选信号输入，DIN作为串行信号输入，DOUT作为串行信号输出。

　　在系统上电时，需要创建接收文件，文件的创建时间由DS1302[4]提供。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。它的I/O引脚作为数据输入输出，作为复位信号输入，SCLK作为时钟信号输入。

　　单片机采用的是华邦公司的W78E58B[5]，它是8位单片机，内含32KBFlash／EEPROM，其引脚功能与8051系列单片机完全兼容。系统连接图如图1所示。

　　4软件设计

　　为了使各部分硬件电路按一定顺序进行工作，在单片机的程序存储器中固化了用C51编写的应用程序，包括系统初始化程序、时间参数获取程序、文件创建程序、A/D转换程序、报警分析程序、数据写入程序。软件采用模块化设计方式，将各个功能分成独立的模块。其中，A/D转换程序放在中断程序中。程序流程图如图2所示。

　　4.1报警算法分析

　　钢丝绳断丝检测信号为叠加于噪声背景上的局部区域的异常信号。为了能够对断丝进行报警，首先应从检测信号中将它分离出来。根据报警的实时处理要求，提取断丝检测信号的方法应简洁，花费的运算时间短，占据的内存空间小。下面给出一种峰峰值超限法。

　　峰峰值超限法利用局部异常信号波形的峰谷差值特征进行断丝检测信号的提取。从信号波形来看，检测信号是由大量的局部波峰和波谷构成的，在检测信号的每一微小的局部均将存在着一个完整的峰谷波形信号。在基于聚磁的钢丝绳断丝检测中，检测信号波形是一个完整的局部峰谷波形，这是由断丝断口漏磁场的分布决定的，且信号的峰峰值比邻近的信号波形大得多，因此很容易用峰峰值超限法提取。

　　设vn，n=0，1，2，3，4，为5个连续的局部极值点，在程序中我们判断：当（（v[1]-v[2]）>3*（v[1]-v[0]））&&（（v[3]-v[2]）>3*（v[3]-v[4]））&&（v[0]-v[2]>26）&&（v[4]-v[2]>26）时，报警。

　　4.2USB数据存储程序设计

　　数据存储是数据流在加工过程中产生的临时文件或加工过程中需要查找的信息。数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。数据存储要命名，这种命名要反映信息特征的组成含义。数据流反映了系统中流动的数据，表现出动态数据的特征；数据存储反映系统中静止的数据，表现出静态数据的特征。在接口使用中已经介绍了用户系统与MemMaster系统的协议交互命令包括2种类型：Command和Response，下面就来具体说明一下Command/Response消息。

　　Command/Response消息用于在用户系统或MemMaster系统将要发出的Command或Response及相应数据准备好后，通过对方（MemMaster或用户系统）Command或Response已经准备完毕，可以开始执行的消息。这时，从0xFFFF即清除了该中断。目前系统定义，向0xFFFE写入和从0xFFFF读出的值都是0x01。参考代码如下[6]：

　　#define DPRAMRInt （（char*）0xFFFF）

　　#define DPRAMLInt （（char*）0xFFFE）

　　#define SEND_SYSCMD *DPRAMLInt = 0x01

　　void service_int1（） interrupt 0 /*外部中断0*/

　　{

　　bRecvResp = *DPRAMRInt;

　　}

　　下面给出文件创建函数来说明用户系统与MemMaster系统是如何实现Command消息传送的（Response消息类似）。

　　void CreateFile（unsigned char nm）           /*nm用于判断文件是否存在*/

　　{

　　CreateFileCmdPkg* crCmdPkg;

　　/* CreateFileCmdPkg为创建命令包，包括创建命令的各个属性*/

　　crCmdPkg=（CreateFileCmdPkg*）Command;

　　MemSet（（char*）crCmdPkg,0,64）；

　　MemSet（crCmdPkg->FileName,0x20,8）；

　　crCmdPkg->CommandCode=SYS_CREATE_FILE;

　　/* SYS_CREATE_FILE为创建命令码*/

　　crCmdPkg->FileName[0]=’T’；

　　crCmdPkg->FileName[1]='A'+nm;

　　/* FileName为文件名*/

　　crCmdPkg->ExtensionName[0]='S';

　　crCmdPkg->ExtensionName[1]='H';

　　crCmdPkg->ExtensionName[2]='J';

　　/* ExtensionName为后缀名*/

　　crCmdPkg->FileAttr=0x20;

　　crCmdPkg->CreateTime[0]=min;

　　crCmdPkg->CreateTime[1]=hour;

　　/* CreateTime为创建时间*/

　　crCmdPkg->CreateDate[0]=date;

　　crCmdPkg->CreateDate[1]=year;

　　/* CreateDate为创建日期*/

　　/* min、hour、date、year是由DS1302提供的数据计算而得*/

　　crCmdPkg->Option=0x00;

　　bRecvResp = 0;

　　SEND_SYSCMD;                             /*发送Command消息*/

　　cs_ram=1;                                /*取消双口RAM片选*/

　　Delayms（10）；

　　while（！bRecvResp）；                       /*判断双口RAM是否收到消息*/

　　cs_ram=0;                                /*片选*/

　　}

　　5  实验结果分析

　　钢丝绳检测系统是通过对被测钢丝绳进行磁化，用敏感元件检测钢丝绳断丝处的泄漏磁场，以此判断有无断丝，再通过计算机以及相应的软件，对此漏磁场的波形进行分析，进一步判断断丝的数量，并通过光电编码器确定相应断丝的位置。

　　通过表1的分析计算表明：当要求无错判时，断丝定量准判率为95%；当允许错判1根时，断丝定量准判率为100%，因此，符合工况要求。同时，报警系统也对断丝进行了实时报警。

　　6  结论

　　钢丝绳检测系统越来越多在各种智能产品中的应用。要求的检测速度为每秒0~2000个数据，本套装置完全可以胜任，同时保证了测量的。该装置可以按指定的格式存入数据，并且动态的检测移动存储器中是否有同名的文件，并自动添加文件，可以在无人工干预的情况下实现多次检测，使用起来极为方便。该装置把USB标准应用到了钢丝绳检测体系中去，适应了计算机的发展潮流，具有携带方便、操作快捷、成本低廉、存储容量大等优点，效果良好，应用前景广阔。