【正文】 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，與鋼絲繩無損檢測(cè)的最終目標(biāo)距離尚遠(yuǎn)，存在一些不足。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。 將 ARM 用于鋼絲 繩斷絲檢測(cè)，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(cè)系統(tǒng)的小型化、模塊化，提高了檢測(cè)過程的自動(dòng)化、智能化程度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力。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。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)。 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(cè)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(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)如 下 。 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(dòng)等功能。 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 。 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 。 3) 用戶級(jí)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(cè)結(jié)果顯示、報(bào)警輸出。 //寫寄存器設(shè)置顯示模式和顏色數(shù) void LcdBusinit(void)。 void LcdDataWrite(unsigned char mand)。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。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。 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 。 圖 鍵操作過程 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)。 key_mode 為內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)。 軟件流程如圖 所示 。 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。即鍵盤輸入、處理、顯示程序無需順序書寫。 常規(guī)的人機(jī)操作為鍵盤輸入、處理和顯示。 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。 每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別。 系統(tǒng)采 用 I2C 存儲(chǔ)器來存放備份數(shù)據(jù)和各種配置參數(shù)。數(shù)據(jù)調(diào)度模工作流程圖如圖 所示 。 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(hào)的采集和轉(zhuǎn)換工作，此外編碼器信號(hào)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。 I2C 存儲(chǔ)，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。A/D 轉(zhuǎn)換模型如圖 所示。 編碼器初始化見圖 。該編碼器每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生 100 個(gè)脈沖，通過對(duì)脈沖的 記數(shù)可精確定位。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)。 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)。 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 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。時(shí)間的調(diào)度在設(shè)置軟核建立簡(jiǎn)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(hào)的數(shù)據(jù)調(diào)度以及異常情況的報(bào)警。 基于以上內(nèi)容，可構(gòu)建系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖 。 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。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，只完成特定功能。在系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行過程中，知識(shí)庫不斷得到更新，系統(tǒng)適應(yīng)性不斷加強(qiáng)，從而減少人為干預(yù)，使整個(gè)系統(tǒng)更具智能化。在這一過程中，知識(shí)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。其內(nèi)部由過程、作用、反饋、知識(shí)庫四個(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。其模型如圖 。 “要素 ”是系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)，要素必須按一定方式相互聯(lián)系、相互作用才可能構(gòu)成系統(tǒng) [40]。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(duì)應(yīng)軟件，降低編程難度。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，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）。到目前為止。 d．面向智能體編程方法 即所謂的 Agent，在信息技術(shù)尤其是人工智能和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，可以看作是能夠通過傳感器感知其環(huán)境，并借助于執(zhí)行器作用于該環(huán)境的任何事物。它使對(duì)象 (描述系統(tǒng)的單位 )同時(shí)具備了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的特性。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)。 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)。但在有的程序中，過程聯(lián)系緊密，不容易區(qū)分。首先，建立各個(gè)模塊、對(duì)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。 常用的編程方法有四種：過程化、模塊化 —結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο笠约懊嫦蛑悄荏w編程方法。 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)。將修改后系統(tǒng)程序 經(jīng)過 JTAG 下載到控制器中，修改并完善程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能。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。通過在 開發(fā)環(huán)境中編寫各個(gè)模塊程序，編譯 ，發(fā)現(xiàn)許多錯(cuò)誤，經(jīng)過不斷的修改后，完成了系統(tǒng)各模塊的編程。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)，在檢查硬件無誤后，開始調(diào)試軟件部分。 選擇調(diào)試方式如圖 所示。工程編譯連接通過后，單擊 Debug 按鈕，可啟動(dòng) AXD 進(jìn)行調(diào)試。 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。單擊 Make 按鈕，可完成編譯連接。如圖 所示。注意，請(qǐng)將文件保存到相應(yīng)工程的目錄下，以便于管理和查找。 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 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。我們一般應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境 Code Warrior IDE 和調(diào)試器 AXD。 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。 ??? ??10 )()(1)(? Nnx knxnxNkR （ ） ??? ?? 10 )()(1)(? Nnxy knxnyNkR （ ） 軟件流程如圖 所示。這里用 C 語言實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析的編程，使其可在 ARM 系統(tǒng)中使用。同時(shí)利用最終的還原信 號(hào)，可以定量分析信號(hào)波形與破損狀態(tài)的關(guān)系。 （ 8） 結(jié)束分析過程，將各頻率分量組合起來恢復(fù)被測(cè)信號(hào)，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(hào)還原的軟件流程圖如圖 所示。 （ 6） 從 )(tx 中減去該頻率的分量，即令 )2co s ()()( iii fAtxtx ?? ??? 。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。 （ 3） 檢查 )(?xR 是否有可觀測(cè)到的周期性分量，如果有，繼續(xù)進(jìn)行步驟（ 4）；如果沒有，轉(zhuǎn)跳步驟（ 8）。 （ 1） 令諧波序號(hào) i=1。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。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。 b．漏磁信號(hào)還原 通過以上討論，可得知 互相關(guān)處理對(duì)于漏磁信號(hào)有較好的判別能力，但是如果信號(hào)中存在相關(guān)性較強(qiáng)的諧波分量時(shí)，則其互相關(guān)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差，并且由信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果無法直接對(duì)鋼絲繩的損傷進(jìn)行定量判斷，因此可將漏磁信號(hào)進(jìn)行還原，消除其中具有較強(qiáng)相關(guān)性的諧波分量以及噪聲，而保持原有信息，這樣不僅可以提高檢測(cè)精度而且可以根據(jù)信息特征來定量分析鋼絲繩破損程度。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(huì)出現(xiàn)較大錯(cuò)誤，即信號(hào)中的峰值不一定就是鋼絲繩受損位置的漏磁信號(hào)，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(hào)中不包含相關(guān)的噪聲信號(hào)。 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。 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)被淹沒在噪聲中，無法直接識(shí)別，但經(jīng)過互相關(guān)運(yùn)算后，鋼絲繩中的損傷被凸顯出來；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。 圖 傳感器輸入信號(hào) 1 圖 中，漏磁信號(hào)均已被噪聲信號(hào)淹沒，無法正確識(shí)別。因而只需對(duì)最強(qiáng)特征值進(jìn)行判斷即可確定鋼絲繩是否受損。 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。 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。 圖 仿真漏磁信號(hào) 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） 20 圖 互相關(guān)處理結(jié)果 圖 ，經(jīng)互相關(guān)處理后結(jié)果為圖 所示，處理信號(hào)幅度較大，分布規(guī)則，且波形相同。 理想狀態(tài)下，進(jìn)行假設(shè)的漏磁信號(hào)互相關(guān)處理仿真。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（無任何干擾噪聲），兩路信號(hào)應(yīng)完全一致且鋼絲繩無損傷部分信號(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。 由圖 ，經(jīng)過互相關(guān)運(yùn)算后，信號(hào)幅值為輸入信