【正文】 式 ()的后 3項(xiàng)均趨向于 零，則理想狀況下 )(tx 的互相關(guān)函數(shù)為 ??? co s2)( 2AR xy ? () 仿真中，設(shè) 1T 時(shí)刻采集樣本信號 1為 )(10)( txf ? ， 0t49，伴隨隨機(jī)噪聲； 2T 時(shí)刻采集樣本信號 2為 )(10)( txf ? ， 0t49，伴隨隨機(jī)噪聲。 漏磁信號互相關(guān)運(yùn)算基本原理如圖 。因此根據(jù)所需的誤差范圍來設(shè)定相應(yīng)的積分時(shí)間，積分時(shí)間越長，誤差越小，但運(yùn)算速度越慢， 需要選取合適的硬件設(shè)備來配合。 （ 1） 互相關(guān)函數(shù)不再是偶函數(shù)，即 )()( ?? ?? xyxy RR 但 )()( ?? ?? yxxy RR 。 b. 自相關(guān)函數(shù) 隨機(jī)噪聲 )(tx 的自相關(guān)函數(shù) ),( 21 ttRx 是其時(shí)域特性的平均度量，反映了隨機(jī)噪聲 )(tx 本身在不同時(shí)刻（例如 1t 和 2t ）取值的相關(guān)程度，其定義為 ， )]()([),( 2121 tXtXEttR x ? () 對于各態(tài)遍歷的平穩(wěn)隨機(jī)信號，其統(tǒng)計(jì)特征量與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)。 （ 2）渡越時(shí)間（ transit time）檢測 對于兩路具有延時(shí)特性的隨機(jī)信號，其互相關(guān)函數(shù)具有一下特性：在延時(shí)值處，兩路隨機(jī)信號的互相關(guān)函數(shù)取得最大值。 )(mmNDS ??? () 根據(jù)公式（ ）可以選擇位置編碼器的直徑 D、光柵的數(shù)目 N。由于檢測探頭移動距離均為等間距，即空間上是等空間 的，因此，經(jīng)過這一脈沖序列控制的采樣數(shù)字信號序列即為等空間采樣信號。 信號處理方法 等空間采樣技術(shù) 鋼絲繩無損檢測過 程中，漏磁場信號與鋼絲繩受損位置有關(guān)，而與檢測時(shí)間無關(guān)，這種空間位置函數(shù)的信號稱之為空間域信號，其特征在空間域中才能得到真實(shí)反映。 FIR 數(shù)字濾波器中較常用的窗函數(shù)主要有以下幾種 。 1( ) ( )2 jjddh n H e e d? ??? ?? ?? ? () 從式（ ）和式（ ）可知理想濾波器在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闆_激響應(yīng)具有無限性和因果性。因此系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了放大電路和模擬濾波電路。 根據(jù)功能劃分，結(jié)合硬件電路，可將軟件劃分為相應(yīng)的模塊進(jìn)行編寫。其硬件系統(tǒng)框圖如圖 所示 。而 FIR數(shù)字濾波處理、漏磁信號的相關(guān)分析等依靠軟件實(shí)現(xiàn)。檢測探頭是整個(gè)系統(tǒng)檢測的初始端，也是系統(tǒng)信號的來源，其主要功能是完成對被測鋼絲繩漏磁信號的檢測，將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。其工作流程如圖 所示 。 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 a. 總體方案 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出是一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的三大基本功能，本文中的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)也同樣具有這三大功能，圖 的相互關(guān)系。 c．通過研究漏磁檢測原理，分別完成磁敏元件的選擇，聚磁回路和雙回路磁化的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成檢測探頭的設(shè)計(jì)。 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） 3 分 析 漏 磁 場 信號 特 點(diǎn)檢 測 系 統(tǒng) 性 能要 求確 定 分 析 算 法確 定 系 統(tǒng) 硬 件系 統(tǒng) 軟 件 編 寫 檢 測 系 統(tǒng) 測 試 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，先對各部分進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，確保各部分都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而降低綜合調(diào)試的難度。諸如輸油管道內(nèi)外缺陷無損測量、鋼絲繩無損測量等技術(shù)設(shè)備。 國 內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀 國外研究概況 鋼絲繩無損檢測是指在不損壞鋼絲繩使用的情況下，應(yīng)用一定的檢測技術(shù)和分析方法，對鋼絲繩的狀態(tài)特性予以測量，從而判斷出鋼絲繩的受損程度。隨著檢測技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的檢測方法都立足于對被測物體不造成任何損傷，即無損檢測技術(shù)。1 緒論 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 ARM 的鋼絲繩檢測系統(tǒng) 1 緒論 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。目前應(yīng)用于鋼絲繩檢測的無損檢測方法較多，主要有目視檢測、磁粉檢測、渦流、超聲波、射線、工業(yè) CT 等，但在高速度、可靠性、高效率等方面，這些方法均存在著不同的不足。國外開始研究漏磁檢測技術(shù)的起步較早， 1933年 Zuschlug首先提出應(yīng)用磁敏傳感器測量漏磁場的思想，但直到 1947年 Hastings才設(shè)計(jì)出了第一套漏磁檢 測系統(tǒng)，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） 2 統(tǒng)由于其檢測精度和檢測速度廣受好評，漏磁檢測才開始受到普遍關(guān)注。 國內(nèi)研究漏磁檢測技術(shù)的高校主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等。 主要完成的研究工作 本文主要是鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)。 d． 完成了漏磁檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括 LM3S615 芯片電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 串行存儲器設(shè)計(jì)電路、復(fù)位電路、液晶接口電路、報(bào)警電路 等的設(shè)計(jì)工作。由采集系統(tǒng)采集所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理，為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供有效清晰的數(shù)據(jù)信號；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對傳輸過來的數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析處理，并根據(jù)用戶提供的參考值，與處理結(jié)果進(jìn)行比對，從而得出結(jié)論；由數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的顯示、傳輸或其他功能。 被 測 鋼 絲 繩 傳 感 器數(shù) 據(jù) 結(jié) 果 顯 示C P U 圖 系統(tǒng)工作流程圖 鋼絲繩的損傷類型很多，主要可分為表面缺損和繩徑變化。檢測探頭中傳感器性能的高低直接關(guān)系到能否有效檢測出所需的漏磁信號。 c. 信號輸出 其主要作用是將處理結(jié)果輸出 、顯示、存儲。 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） 8 系統(tǒng)硬件是鋼絲繩無損 檢測系統(tǒng)的執(zhí)行控制核心，其所有功能諸如對采集時(shí)間的控制、運(yùn)算分析、信號存儲、時(shí)間調(diào)度等均是以硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。包括A/D轉(zhuǎn)換軟件模塊、存儲軟件模塊、人機(jī)互動軟件模塊、數(shù)據(jù)調(diào)度軟件模塊以及ARM核心軟件模塊。放大電路選用集成運(yùn)放 LM358差動輸入方式，模擬濾波電路采用帶通濾波方式。因此為實(shí)現(xiàn) FIR濾波器的功能，只能盡量近似的逼近其原始值。 (1) 矩形窗 ： N 項(xiàng)矩形窗為 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） 11 [ ] 1Wn? ( 1) / 2nN?? ，其他處為零。所以在檢測過程中，需要取得被測鋼絲繩受損位置的空間信息。這一方法的實(shí)現(xiàn)過程如圖 所示。 c. 等空間采樣的實(shí)現(xiàn) 編碼器滾輪和鋼絲繩做純滾動，在每一個(gè)鋼絲繩的等空間位移處， CPU根據(jù)編碼器脈沖信號確定采樣時(shí)刻并發(fā)出觸發(fā)信號，在觸發(fā)信號控制下系統(tǒng)讀取 I/O狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)等空間采樣。利用這一特性，可以由互相關(guān)函數(shù)最大值位置測量出延時(shí)值的大小。令 tt?1 、???tt2 ， ),(),( 21 ??? ttRttR xx ，簡記為 )(?xR ，即 )]()([)( ?? ?? tXtXER x () 用時(shí)間平均來計(jì)算式 ()，自相關(guān)函數(shù)可以表示為 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） 15 ???? ?? TTTx dttxtxTR )]()([21)( lim ?? () 自相關(guān)函數(shù)具有以下重要特點(diǎn)。 （ 2） ? 趨于無窮大時(shí)，互相關(guān)函數(shù)可以寫成 )(tx 和 )(ty 均值的乘積，即 yxxyR ????)( () （ 3） 互相關(guān)函數(shù)的上界由下式確定 )0()0()( yxxy RRR ?? () （ 4） 對于平穩(wěn)隨機(jī)噪聲， )(?xyR 僅與時(shí)間差 ? 有關(guān)，與計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)無關(guān)。 （ 2）數(shù)字累加方式 數(shù)字累加是將式（ ） ~（ ）離散化后的直接結(jié)果。 互 相 關(guān)++)(ty )(tx )(?xyR)(ts)(1 tn)(ts )(2 tn++ 圖 互相關(guān)原理 兩 個(gè)傳感器的輸出信號分別為 )()()( 11 tntsKtx ?? )()()( 22 tntsKty ?? )(1tn 、 )(2tn 分別表示干擾噪聲。隨機(jī)噪聲使用 Matlab中的 randn函數(shù)實(shí) 現(xiàn)。 xlable(“時(shí)間 ”)。 理想狀態(tài)下，進(jìn)行假設(shè)的漏磁信號互相關(guān)處理仿真。因而只需對最強(qiáng)特征值進(jìn)行判斷即可確定鋼絲繩是否受損。但是在使用互相關(guān)分析時(shí)，要注意如果干擾噪聲中存在相關(guān)分量，那么運(yùn)算后的結(jié)果會出現(xiàn)較大錯(cuò)誤，即信號中的峰值不一定就是鋼絲繩受損位置的漏磁信號，因此要保證互相關(guān)處理后的準(zhǔn)確性，必須保證采集信號中不包含相關(guān)的噪聲信號。 （ 1） 令諧波序號 i=1。 （ 8） 結(jié)束分析過程，將各頻率分量組合起來恢復(fù)被測信號，得 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） 23 ?? ?? m a x1 )2c os ()( ii iii fAnx ?? () 信號還原的軟件流程圖如圖 所示。 是為嵌入式 ARM 設(shè)計(jì)的一整套軟件開發(fā)工具，發(fā)布于 2020 年 12 月份，支持 ARM10 之前所有 ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試及 JTAG 硬件仿真調(diào)試，支持匯編、 C 和 C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在 Windows XP 等上運(yùn)行。注意，請將文件保存到相應(yīng)工程的目錄下，以便于管理和查找。工程編譯連接通過后，單擊 Debug 按鈕，可啟動 AXD 進(jìn)行調(diào)試。連接好系統(tǒng)硬件，將系統(tǒng)各模塊程序 經(jīng)過 JTAG 下載到控制器中，不斷調(diào)試、修改程序，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。首先，建立各個(gè)模塊、對象、或智能體；再將各個(gè)模塊單元連接起來；最后實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。它使對象 (描述系統(tǒng)的單位 )同時(shí)具備了靜態(tài)和動態(tài)的特性。不僅使系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的特性，而且根據(jù)硬件 模塊編寫對應(yīng)軟件，降低編程難度。在這一過程中，知識庫選擇的參數(shù)或方法，是固定不變的，相當(dāng)于靜態(tài)過程。 基于以上內(nèi)容，可構(gòu)建系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖 。其計(jì)數(shù)的方法有多種，包括純粹的軟件計(jì)數(shù)和硬件計(jì)數(shù)。 I2C 存儲，采集 A/D 轉(zhuǎn)換值，輸出采集數(shù)據(jù)三個(gè)功能模塊，采用三個(gè)并行進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)其各自功能，且它們的運(yùn)行都與時(shí)鐘同步，能夠消除不必要的等待時(shí)間，盡量保證系統(tǒng)穩(wěn)定高速的運(yùn)行。 每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識別。 A， B， C 的關(guān)系是執(zhí)行 A，再執(zhí)行 B，再執(zhí)行 C 的循環(huán)， A， B， C 之間的相關(guān)關(guān)系是不可拆分的。 系統(tǒng)初始化主要包括選擇 RAM工作區(qū)、顯示控制器設(shè)置、各顯示 RAM的起始地址、顯示屏大小、各屏合成顯示方式及清除各屏顯示內(nèi)容等功能，流程圖如圖 。 //寫寄存器設(shè)置顯示模式和顏色數(shù) void LcdBusinit(void)。 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） 39 圖 張力設(shè)置 當(dāng) 6 鍵，調(diào)用報(bào)警框程序，選擇報(bào)警參數(shù)設(shè)置 ,界面如 所示： 圖 報(bào)警參數(shù)設(shè)置 本章完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，利用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、人機(jī)互動等功能。 將 ARM 用于鋼絲 繩斷絲檢測，充分利用了 LM3S615 芯片的強(qiáng)大功能，并擴(kuò)展了大容量的內(nèi)存，在速度上較之一般的單片機(jī)方案有了大幅的提升，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩檢測系統(tǒng)的小型化、模塊化，提高了檢測過程的自動化、智能化程度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力。液晶顯示器工作電壓低，功耗極小，顯示穩(wěn)定可靠，使用液晶顯示，為系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的操作界面，極大的方便了使用者的操作。 5 總結(jié) 40 5 總結(jié) 本文在分析和總結(jié)了現(xiàn)有鋼絲繩無損檢測設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一 種基于ARM 的鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)，其特點(diǎn)如 下 。 3) 用戶級程序 菜單顯示控制程序代碼見附錄，包括菜單顯示控制、檢測結(jié)果顯示、報(bào)警輸出。緩沖區(qū)大小為：點(diǎn)陣行數(shù) 點(diǎn)陣列數(shù) 用于表示一個(gè)像素的比特?cái)?shù) /8。 軟件流程如圖 所示 。 本設(shè)計(jì)采用 AT24C512 EEPROM 作為外設(shè)，再編寫控制程序?qū)懭肫瑑?nèi)，控制 ADS 核與傳感器等 I2C 外設(shè)的通訊。 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） 34 初 始 化讀 取 I2C 中 閥值讀 取 數(shù) 據(jù)輸 出 轉(zhuǎn) 換C L K 時(shí) 鐘數(shù) 據(jù) 合 法 ？輸 出NY 圖 A/D 采集控制 流程圖 數(shù)據(jù)調(diào)度模塊 系統(tǒng)中采用了兩套磁阻傳感器設(shè)計(jì)，并相應(yīng)的配置了放大濾波電路，由 AD完成信號的采集和轉(zhuǎn)換工作，此外編碼器信號也需采集，因此需要一個(gè)協(xié)調(diào)各任務(wù)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)控通信模塊，它可以監(jiān)控到系統(tǒng)的每個(gè)模塊，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。該編碼器每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生 100 個(gè)脈沖，通過對脈沖的 記數(shù)可精確定位。時(shí)間的調(diào)度在設(shè)置軟核建立簡單的中斷方式，時(shí)間為 50ms，為系統(tǒng)提供時(shí)間調(diào)度資源；應(yīng)用層數(shù)據(jù)是原始的數(shù) 據(jù)采集；界面管理程序包括顯示程序，鍵盤處理程序，基本繪圖等程序；采集調(diào)度程序主要實(shí)現(xiàn)采集信號的數(shù)據(jù)調(diào)度以及異常情況的報(bào)警。在系統(tǒng)的