【正文】 處理及控制單元。同時(shí)為完成這些功能間數(shù)據(jù)的調(diào)度，避免訪問(wèn)沖突，還應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)度軟件程序。 傳 感 器漏 磁 信 號(hào)傳 感 器漏 磁 信 號(hào)傳 感 器漏 磁 信 號(hào)編 碼 器 信 號(hào)放 大 濾 波放 大 濾 波放 大 濾 波A / D 轉(zhuǎn) 換A / D 轉(zhuǎn) 換A / D 轉(zhuǎn) 換F I R濾 波A R M存 儲(chǔ)顯 示 L C D 圖 信號(hào)處理流程框圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 漏磁場(chǎng)信號(hào)微弱且淹沒(méi)于強(qiáng)噪聲中，因此必須對(duì)其進(jìn)行放大濾波后才能進(jìn)行提取。 njnn djd enheH ?? ???????? )()( () 使用 傅里葉反變換可求得理想的單位沖激響應(yīng) ()dhn。 b. 窗函數(shù) 窗函數(shù)的作用是從理想沖激響應(yīng) ()dhn中的無(wú)限個(gè)采樣點(diǎn)中選取有限個(gè)采樣點(diǎn)，這個(gè)重要的步驟使沖激響應(yīng)的采樣值可實(shí)現(xiàn)為一個(gè)實(shí)際濾波器。 表 窗函數(shù)的性能對(duì)比 窗函數(shù) 主瓣寬度 旁瓣峰值衰減 (dB) 阻帶最小衰減 (dB) 矩 形 4π/N 13 21 漢 寧 8π/N 31 44 漢 明 8π/N 41 53 布萊克曼 12π/N 57 74 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 經(jīng)過(guò)測(cè)試，本設(shè)計(jì)選用矩形窗以獲得最佳的濾波效果和最低的邏輯門使用量。通過(guò)這一脈沖控制 A/D 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)漏磁信號(hào)按照空間位置的采樣。位置編碼器的采樣間距 S? 的大小由導(dǎo)輪直徑 D和光柵的數(shù)目 N決定，其關(guān)系式為 。在不同時(shí)刻檢測(cè)的信號(hào)，其噪聲隨機(jī)性強(qiáng)，利用相關(guān)函數(shù)可有效出去噪聲，提高信號(hào)信噪比，由此可將確定信號(hào)和干擾噪聲區(qū)別開(kāi)。對(duì)于大型工業(yè)系統(tǒng)其動(dòng)態(tài)性的確定，往往無(wú)法直接測(cè)量，并且在操作現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾強(qiáng)，利用互相關(guān)分析可較大程度的解決這一問(wèn)題。令 tt?1 、???tt2 ，則 ),(),( 21 ??? ttRttR xyxy ，簡(jiǎn)記為 (?xyR ，即 )]()([)( ?? ?? tYtXER xy () 若 )(tx 、 )(ty 同時(shí)又是各態(tài)遍歷的，則可以用時(shí)間平均來(lái)計(jì)算式 ()，這時(shí)互相關(guān)函數(shù)可以表示為 ???? ?? TTTxy dttytxTR )]()([21)( l i m ?? () 互相關(guān)函數(shù)具有以下特點(diǎn) 。因?yàn)榉e分時(shí)間有限，所以估計(jì)值結(jié)果會(huì)有偏差。其本質(zhì)上是：利用兩個(gè)配置在不同位置的傳感器測(cè)量同一信號(hào)源的信號(hào)，利用有用信號(hào)與噪聲相互獨(dú)立的特點(diǎn)可將信號(hào)從噪聲中提取出來(lái)。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 )()s in ()()()( 22 tntAtntstx ????? ?? () )()s in ()()()( 11 tntAtntsty ????? ?? () 其中 ? 為時(shí)間間隔，由編碼器脈沖信號(hào)確定。 plot(real(xsig))。在漏磁信號(hào)檢測(cè)中，兩路傳感器采集的均為同一位置處的漏磁信號(hào)，理想狀態(tài)下（無(wú)任何干擾噪聲），兩路信號(hào)應(yīng)完全一致且鋼絲繩無(wú)損傷部分信號(hào)為零，則其特征值均為同號(hào)，即均為正或均為負(fù)，經(jīng)互相關(guān)運(yùn)算后，其值一定大于零，且最大峰值出的時(shí)間不會(huì)應(yīng)漏磁信號(hào)時(shí)間的變化而變化。 改變輸入信號(hào)輸入時(shí)間 ，互相關(guān)結(jié)果后的信號(hào)位置不變。 圖 較大面積破損漏磁信號(hào) 進(jìn)行互相關(guān)處理，其結(jié)果如圖 所示。然而需要注意的是，信號(hào)還原后得到的恢復(fù)信號(hào)，僅僅是原信號(hào)的近似值，其精度與被測(cè)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)和所使用的估計(jì)方法有關(guān)，可以根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇較好的估計(jì)方法，提高恢復(fù)信號(hào)和原信號(hào)的相似度。 （ 6） 從 )(tx 中減去該頻率的分量，即令 )2co s ()()( iii fAtxtx ?? ??? 。 ??? ??10 )()(1)(? Nnx knxnxNkR （ ） ??? ?? 10 )()(1)(? Nnxy knxnyNkR （ ） 軟件流程如圖 所示。 建立 文件 及添加 建立一個(gè)文本文件以便輸入用戶程序，點(diǎn)擊 “New Text File”圖標(biāo)按鈕，如圖 所示。 圖 工程窗口中圖標(biāo)按鈕 若編譯出錯(cuò)會(huì)有相應(yīng)的出錯(cuò)信息，雙擊出錯(cuò)信息，光標(biāo)會(huì)指向出錯(cuò)源代碼。通過(guò)在 開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)各個(gè)模塊程序，編譯 ，發(fā)現(xiàn)許多錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)不斷的修改后，完成了系統(tǒng)各模塊的編程。 常用的編程方法有四種：過(guò)程化、模塊化 —結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο笠约懊嫦蛑悄荏w編程方法。但是對(duì)于一些較大的系統(tǒng)，這種分解往往會(huì)導(dǎo)致大量的模塊或節(jié)點(diǎn)，這些模塊和節(jié)點(diǎn)之間的連接錯(cuò)綜復(fù)雜，不僅無(wú)法使編程簡(jiǎn)單化，而且會(huì)增大系統(tǒng)功能分析的難度，實(shí)際編程中難以實(shí)現(xiàn)。目前主要的研究方向主要有兩點(diǎn)：一是圍繞經(jīng)典人工智能展開(kāi)，主要研究代理的擬人行 為，多代理的協(xié)商模型等，其研究方向可分為代理理論，代理體系結(jié)構(gòu)，代理語(yǔ)言，多代理系統(tǒng)等，一些計(jì)算機(jī)科學(xué)家稱之為 “智能代理 ”或是強(qiáng)定義的代理；二是以應(yīng)用為主，將經(jīng)典人工智能關(guān)于西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 理的強(qiáng)定義弱化，拓寬了代理的應(yīng)用范圍，新的研究方向主要包括代理界面，基于代理的軟件工程（ AOSE）。其內(nèi)部由過(guò)程、作用、反饋、知識(shí)庫(kù)四個(gè)部分組成，其外部聯(lián) 系部分則由輸入、輸出、學(xué)習(xí)、意識(shí)組成。 軟件設(shè)計(jì)框圖 主模塊可分為三個(gè)部分， 即初始化程序、管理程序和維護(hù)更新程序。 首先依靠編碼器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)空間域信號(hào)到時(shí)間域信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)編碼器信號(hào)調(diào)整 A/D 轉(zhuǎn)換器中數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間；其次，根據(jù)編 碼器信號(hào)，對(duì) FIR 數(shù)字濾波器的濾波帶通進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到對(duì)不同數(shù)據(jù)采集量采用不同濾波的目的；最后，在處理結(jié)果判斷中，可根據(jù)編碼器信號(hào)確定被測(cè)鋼絲繩的破損位置，使用戶能夠進(jìn)行人工判別防止意外誤測(cè)。A/D 轉(zhuǎn)換模型如圖 所示。 系統(tǒng)采 用 I2C 存儲(chǔ)器來(lái)存放備份數(shù)據(jù)和各種配置參數(shù)。即鍵盤輸入、處理、顯示程序無(wú)需順序書(shū)寫(xiě)。 圖 鍵操作過(guò)程 b． LCD 顯示處理程序 (1) LM3S615作為邏輯功能實(shí)現(xiàn)的核心，接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)和行、幀同步信號(hào)以及像素時(shí)鐘信號(hào)。 void LcdDataWrite(unsigned char mand)。 a b 圖 a 曲線 b 顯示參數(shù) 當(dāng)按 3 鍵，調(diào)用 存儲(chǔ)框程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 當(dāng)按 4 鍵，調(diào)用傳感器設(shè)置框程序，設(shè)置傳感器參數(shù)，界面如圖 所示 。因此，本系統(tǒng)采用磁阻傳感器 HMC1022，具有尺寸小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、頻率特性好、溫度穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，且外圍電路簡(jiǎn)單，綜合性能優(yōu)于其它傳感器。本文的研究還只是處于檢測(cè)儀器的研究階段，即逐漸以儀器來(lái)取代人工檢查的階段，相對(duì)鋼絲繩損傷的多態(tài)性和復(fù)雜性，當(dāng) 前所進(jìn)行的研究還不夠，與鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)的最終目標(biāo)距離尚遠(yuǎn)，存在一些不足。由于霍爾元件的靈敏度低，測(cè)量漏磁場(chǎng)時(shí)，其輸出僅為幾個(gè)毫伏，需要復(fù)雜的處理電路才能得到有用的信號(hào)。 圖 用戶界面 為了完成聯(lián)動(dòng)編程，按相應(yīng)數(shù)字鍵，實(shí)現(xiàn)結(jié)果如下 ， 當(dāng)按 1 鍵，調(diào)用實(shí)時(shí)檢測(cè)程序，顯示當(dāng)前檢測(cè)數(shù)據(jù) ,界面如圖 所示 。本文采用的 LCD 顯示方式為 320240， 8 位黑白色，則需要分配的顯示緩沖區(qū)為 320240=76Kb。 key_mode 為內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)。 常規(guī)的人機(jī)操作為鍵盤輸入、處理和顯示。數(shù)據(jù)調(diào)度模工作流程圖如圖 所示 。 編碼器初始化見(jiàn)圖 。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 管 理 程 序應(yīng) 用 層 數(shù) 據(jù)界 面 管 理 程 序數(shù) 據(jù) 處 理鍵 盤 處 理 程 序L C D 接 口 處 理 程 序編 輯 框 對(duì) 話 框 程 序負(fù) 責(zé) 各 個(gè) 模 塊 的 初 始 化 ， 調(diào) 度 運(yùn) 行 內(nèi) 部 參 數(shù) 的 初 始 化串 行 存 儲(chǔ) 器 讀 寫(xiě) 程 序采 集 A / D 轉(zhuǎn) 換報(bào) 警 輸 出 圖 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 編碼器初始化實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)中由光電編碼器完成空間及時(shí)間參數(shù)的采集。對(duì)于只完成特定功能的稱之為功能模塊，這類模塊一般不具有知識(shí)庫(kù)，只完成特定功能。其模型如圖 。到目前為止。 b．模塊化 — 結(jié)構(gòu)化編程方法 模塊化和結(jié)構(gòu)化編程方法有類似之處，都是將復(fù)雜的系統(tǒng)分割若干功能模塊或是功能節(jié)點(diǎn)。 4 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 4 漏磁檢測(cè) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)方法 軟件是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬實(shí)現(xiàn)。軟件調(diào)試是否順利進(jìn)行，直接關(guān)系到工程的順利投產(chǎn)，在檢查硬件無(wú)誤后，開(kāi)始調(diào)試軟件部分。單擊 Make 按鈕，可完成編譯連接。 圖 啟動(dòng) IDE 點(diǎn)擊【 File】菜單，選擇【 New… 】即彈出 New 對(duì)話框，如圖 所示。這里用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析的編程，使其可在 ARM 系統(tǒng)中使用。確定該分量的周期或頻率 if ，這也是會(huì)保留在噪聲中的信號(hào) )(ts 的最強(qiáng)的頻率分量 的頻率。如果能夠確定這些諧波分量的特征，例如頻率、幅值 、相位，那么該信號(hào)可由這些諧波分量組合而成。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 互相關(guān)結(jié)果 從圖中可以清楚地看到：盡管在原信號(hào)中，漏磁信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲中，無(wú)法直接識(shí)別，但經(jīng)過(guò)互相關(guān)運(yùn)算后，鋼絲繩中的損傷被凸顯出來(lái)；據(jù)此，不僅可以清晰的判別鋼絲繩表面已受損，而且也易于確定損傷位置。 對(duì)其中一路輸入信號(hào)做延遲處理，發(fā)現(xiàn)互相關(guān)結(jié)果中最強(qiáng)信號(hào)位置不發(fā)生改變，但次強(qiáng)信號(hào)位置隨輸入信號(hào)位置改變而變化，其相對(duì)于最強(qiáng)信號(hào)的延時(shí)和輸入信號(hào)延時(shí)成比例。 由圖 ，經(jīng)過(guò)互相關(guān)運(yùn)算后，信號(hào)幅值為輸入信號(hào)幅值之積，其信噪比得到提高，有利于漏磁檢測(cè)。 xn=xs1+xn1+xs2+xn2。 使用 matlab軟件驗(yàn)證上面的理論推斷。 相關(guān)分 析在漏磁檢測(cè)中的應(yīng)用 考慮到漏磁信號(hào)本身非常微弱而環(huán)境噪聲異常復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)中采用互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，利用此方法可在信號(hào)頻率未知的條件下有效提高對(duì)信號(hào)的檢測(cè)能力。但是在實(shí)際應(yīng)用中不可能滿足這一點(diǎn)。 (4) 隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)具有隨 ||? 值的增大而遞減的特性。 （ 4）距離測(cè)量 如果某種對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度已知，那么測(cè)出它在兩點(diǎn)之間的渡越時(shí)間，就可以計(jì)算出這兩點(diǎn)之間的距離。 相 關(guān)檢測(cè)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。如果采樣間距選擇過(guò)大，缺陷信號(hào)可能被漏檢；如果采樣間距選擇過(guò)小，由圖 對(duì)應(yīng)曲線可知，檢測(cè)的數(shù)據(jù)將急劇增加，處理速度減慢。在漏磁信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)探頭相對(duì)于鋼絲繩運(yùn)動(dòng)完成空間檢測(cè)，即完成 對(duì)被測(cè)鋼絲繩的漏磁場(chǎng)檢測(cè)；同時(shí)發(fā)出等空間脈沖信號(hào)；在脈沖信號(hào)的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這樣就完成了空間域離散信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間域離散信號(hào)的工作。 () 在相同條件下，這里假設(shè) N=51， ??? ，不同窗函數(shù)的低通濾波特性如圖 所示 圖 a)矩形窗 b）漢寧窗 c）漢明窗 d）布萊克曼窗 由圖可知矩形窗設(shè)計(jì)的過(guò)渡帶最窄，但阻帶最小衰減也最差，僅 21dB；布萊克曼窗設(shè)計(jì)的阻帶最小衰減最好，達(dá) 74dB，但過(guò)渡帶最寬，約為矩形窗設(shè)計(jì)的三倍。使用窗函數(shù)就可構(gòu)建滿足使用要求的 FIR濾波器。因此設(shè)計(jì)中選用 FIR濾波器。為了能夠獲取較理想的漏磁信號(hào)，設(shè) 計(jì)中采用多路檢測(cè)探頭采集信號(hào)。 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的功能就是實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在線無(wú)損檢測(cè)，并判斷鋼絲繩的損壞程度，同 時(shí)可將檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，根據(jù)用戶需要可將數(shù)據(jù)保存或傳輸，另外還應(yīng)使系統(tǒng)能夠完成多種類型鋼絲繩測(cè)試，這就要求用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，因此需要有人機(jī)互動(dòng)接口。 e. 光電編碼器 它是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，其作用是控制采樣時(shí)間和間隔。 b. 信號(hào)處理 信 號(hào)處理的目的是將由傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)不失真的進(jìn)行放大、濾波處理，從而提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比和抗干擾能力，為進(jìn)一步的信號(hào)識(shí)別、分析、診斷、顯示、存儲(chǔ)、記錄等打下良好的基礎(chǔ)，能夠顯示出明顯的信號(hào)特征或檢測(cè)結(jié)果，滿足使用要求。由于互相關(guān)運(yùn)算針對(duì)兩組不同信號(hào)的處理，因此系統(tǒng)中檢測(cè)探頭布置 2 套，每套內(nèi)裝 4 個(gè)磁敏元件，可分別采集四個(gè)方向上的漏磁信號(hào)，每個(gè)磁敏元件對(duì)應(yīng)一路放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，即共有 8 路放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。因此鋼絲繩內(nèi)的磁感應(yīng)線會(huì)改變傳播方向，有一小部分磁感應(yīng)線會(huì)溢出鋼絲繩表面，通過(guò)空氣再重新進(jìn)入到鋼絲繩內(nèi)，在鋼絲繩表面形成漏磁場(chǎng) [14]。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)概要 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的目的是對(duì)受損鋼 絲繩進(jìn)行檢測(cè)，判斷出被測(cè)鋼絲繩的受損程度，并由此確定被測(cè)鋼絲繩性能安全與否。 論文完成了以下工作： a．文中分析了常用的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)， 選用以測(cè)磁原理為基