基于STM32的鋼絲繩缺陷定量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘小勇，劉志輝，張小紅

（江西理工大學(xué) 理學(xué)院，贛州341000）

鋼絲繩是由多股鋼絲螺旋型捻制而成的承載構(gòu)件。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦山、港口、建筑及其它相關(guān)行業(yè)的起重設(shè)備日趨大型化，所需鋼絲繩數(shù)量、種類越來越多，其結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜。鋼絲繩多數(shù)處于相對惡劣的運(yùn)行環(huán)境之中，自然侵蝕情況嚴(yán)重，是典型和共性危險(xiǎn)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(tǒng)。系統(tǒng)能夠檢測記錄缺陷的位置、缺陷的數(shù)量或缺陷的嚴(yán)重程度，并實(shí)時(shí)發(fā)出聲光警示。該系統(tǒng)既可獨(dú)立地對鋼絲繩實(shí)施檢測， 又可將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)保存、對比、查閱等功能。系統(tǒng)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鋼絲繩缺陷定量檢測系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)放大濾波調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換、STM32 處理器系統(tǒng)、 存儲(chǔ)器系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)通信接口電路等組成。鋼絲繩定量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 定量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of quantitative detection system

系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)部分：

漏磁信號(hào)檢測漏磁信號(hào)檢測部分由傳感器、信號(hào)放大及濾波電路構(gòu)成。傳感器檢測缺陷漏磁場信息，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波處理，滿足后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路對信號(hào)幅度的要求。

A/D 轉(zhuǎn)換A/D 部分將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供STM32 分析、處理。

STM32 處理器檢測系統(tǒng)采用嵌入式STM32F407處理器， 該處理器控制鋼絲繩漏磁信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、命令及參數(shù)的輸入、檢測波形及結(jié)果的輸出，同時(shí)該處理器完成漏磁信號(hào)的數(shù)據(jù)處理及預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及與上位機(jī)通信等工作任務(wù)。

人機(jī)交互輸入采用薄膜按鍵輸入，用于輸入命令及檢測的參數(shù)。

人機(jī)交互輸出采用LCD 顯示器，用于顯示檢測波形以及最終結(jié)果。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Flash 及SRAM 存儲(chǔ)器芯片，將檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

計(jì)算機(jī)通信通過USB 接口電路將檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)中。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 漏磁信號(hào)的拾取

鋼絲繩是由鐵質(zhì)材料制作而成的承載構(gòu)件，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于非鐵質(zhì)的物質(zhì)。利用由稀土永磁體組成的勵(lì)磁裝置對鋼絲繩進(jìn)行磁化至飽和狀態(tài)[3]。如果鋼絲繩上沒有缺陷，磁力線通過鋼絲繩及勵(lì)磁裝置構(gòu)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(huì)有漏磁場產(chǎn)生[4-5]。通過磁敏元件檢測鋼絲繩周圍漏磁場并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，供后續(xù)電路分析。漏磁信號(hào)拾取的原理參見圖2，其中的漏磁場的強(qiáng)弱與缺陷大小、缺陷造成的鐵質(zhì)損失量相關(guān)[6]。

圖2 漏磁信號(hào)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(jié)構(gòu)尺寸較小、靈敏度較高、輸出信號(hào)不受檢測速度影響等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)。另外，在集成HALL 元件中，內(nèi)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(nèi)， 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(guān)。檢測速度的變化如晃動(dòng)也不會(huì)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(gè)圓周360°的檢測范圍，因此，必須采用多片HALL 元件組合進(jìn)行檢測。本系統(tǒng)采用16片、 靈敏度為5 mV/G 的HALL 元件G1321 組成一個(gè)圓周檢測環(huán)，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(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路包括前置阻容耦合、信號(hào)放大器和用于抑制高頻干擾的低通濾波器。鋼絲繩缺陷產(chǎn)生的漏磁場往往比較弱小[7]，對應(yīng)霍爾元件的輸出缺陷信號(hào)電壓為幾十個(gè)毫伏。用一級(jí)信號(hào)放大器和一級(jí)低通濾波器將信號(hào)放大至0～3.3 V，并降低外界噪聲干擾。系統(tǒng)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(chǔ)器接口電路

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

系統(tǒng)擴(kuò)展了一片SRAM 和一片F(xiàn)lash， 存儲(chǔ)器接口電路見圖4。SRAM IS62WV51216 的存儲(chǔ)容量為1 MB， 用于存儲(chǔ)鋼絲繩漏磁信號(hào)的檢測數(shù)據(jù)，以16 位方式連接在FSMC 存儲(chǔ)塊第2 區(qū)， 片選信號(hào)FSMC_NE2， 讀寫配置使用同一個(gè)時(shí)序寄存器。Flash 24C08 的存儲(chǔ)容量為1 kB，通過I2C 總線連接STM32F407， 用于存儲(chǔ)一些掉電不能丟失的重要數(shù)據(jù)，如鋼絲繩不同規(guī)格對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)等。

圖4 存儲(chǔ)器接口電路Fig.4 Memory interface circuit

2.4 STM32F407 最小系統(tǒng)

STM32F407 最小系統(tǒng)由電源電路、 復(fù)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(tǒng)設(shè)置了2 種供電方式。第一種方式是外接DC 9 V 電源，經(jīng)MP2359 穩(wěn)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(jīng)AMS117降壓至3.3 V，接到STM32F407 芯片，STM32 內(nèi)部自帶電壓調(diào)整器，從DC 3.3 V 調(diào)整至1.8 V，供Cortex-M4 核作為工作電壓。系統(tǒng)外接8 MHz 晶振，經(jīng)STM32F407 芯片內(nèi)部的PLL（鎖相環(huán)）穩(wěn)定至168 MHz，作為Cortex-M4 核的系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖5 STM32F407 最小系統(tǒng)Fig.5 STM32F407 minimum system

2.5 USB 接口電路

本系統(tǒng)可通過USB 接口電路與上位機(jī)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(shè)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(jīng)CH340 芯片，轉(zhuǎn)USB 接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要功能是按照鋼絲繩規(guī)格，以一定的間隔等距離采集鋼絲繩周圍的漏磁信號(hào)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)定量識(shí)別鋼絲繩缺陷，在LCD 顯示結(jié)果或通過串口發(fā)送至上位機(jī)。本系統(tǒng)軟件開發(fā)主要在Keil uVision 5 集成環(huán)境下，利用STM32F4 固件庫，采用C 語言編寫相關(guān)程序。軟件主要包括系統(tǒng)初始化、A/D 采集、STM32 數(shù)據(jù)分析處理、 數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。系統(tǒng)主程序及A/D 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)過程中， 鋼絲繩缺陷定量識(shí)別是關(guān)鍵點(diǎn)。通過大量的實(shí)驗(yàn)積累不同規(guī)格鋼絲繩、不同類型缺陷的特征量，保存在Flash 存儲(chǔ)器中，作為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)界面輸入鋼絲繩規(guī)格，再進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

4 測試結(jié)果與分析

在鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)中，使用的是一根規(guī)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(shè)計(jì)的缺陷檢測系統(tǒng)對這根鋼絲繩進(jìn)行100 次測試，具體測試結(jié)果見表1。

從表1中可以看出， 當(dāng)要求缺陷無誤判時(shí)，定量準(zhǔn)確率≥92%；當(dāng)允許斷絲誤差為1 根時(shí)，定量準(zhǔn)確率≥96%。同一鋼絲繩截面不同斷絲相隔π/4 角度時(shí)，該系統(tǒng)能正確分辨。為便于查看確認(rèn)，系統(tǒng)檢測到鋼絲繩缺陷時(shí)，有實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。

表1 鋼絲繩缺陷檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data of the steel wire rope’s fault

5 結(jié)語

本文利用磁電效應(yīng)方式，以STM32F407 處理器為核心，設(shè)計(jì)了鋼絲繩定量檢測系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能正確地判斷識(shí)別鋼絲繩上的缺陷。由于勵(lì)磁裝置磁力線能夠穿透各種非鐵質(zhì)類的物質(zhì)，該系統(tǒng)使用前無需對鋼絲繩進(jìn)行清潔處理，適合鋼絲繩表面加了潤滑或油性保護(hù)層的工礦等企業(yè)使用。

第三屆世界智能大會(huì)在天津開幕

第三屆世界智能大會(huì)2019年5月16日在天津開幕。在為期4 天的會(huì)期內(nèi)，大會(huì)將在“智能新時(shí)代：進(jìn)展、策略和機(jī)遇”的主題下，探討智能科技帶來的新發(fā)展和新機(jī)遇。據(jù)了解，本屆大會(huì)共245 家智能科技領(lǐng)域的單位和企業(yè)參展，包括中國科學(xué)院、國家超算中心等27 家研究機(jī)構(gòu)，華為、中車集團(tuán)等38 家世界500 強(qiáng)企業(yè)以及60 家國內(nèi)500 強(qiáng)企業(yè)，將在大會(huì)期間圍繞智能技術(shù)應(yīng)用、立法、倫理、人才培養(yǎng)等展開討論。

此外，大會(huì)還擬定舉辦15 場高峰論壇，世界智能駕駛挑戰(zhàn)賽、中國華錄杯開放數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽、中國（天津）工業(yè)APP 創(chuàng)新應(yīng)用大賽、世界智能水下機(jī)器人挑戰(zhàn)賽等賽事也將同期舉辦。

來源：經(jīng)濟(jì)日報(bào)