畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ARM的鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)

1、1 緒 論1.1課題研究的背景和意義鋼絲繩作為人員物料搬運(yùn)過程中提升、牽引、拉緊、承載的載體，具有較高的強(qiáng)度和韌性，因而鋼絲繩被廣泛的使用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的各各方面，從建筑工地的吊車到高層住宅中的電梯，從工廠的牽引機(jī)到港口碼頭的龍門吊，從油井的錄井鋼絲繩到建筑工地的升降機(jī)，到處都可見到鋼絲繩的身影。但是在使用過程中，鋼絲繩不可避免的出現(xiàn)磨損和疲勞損傷，導(dǎo)致鋼絲繩強(qiáng)度和韌性下降甚至斷裂，直至引發(fā)事故，這其中重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的事故舉不勝舉。鋼絲繩一旦有損傷，其強(qiáng)度和韌性會(huì)迅速降低，因此為保證生產(chǎn)安全和人身安全，必須對(duì)工作狀態(tài)的鋼絲繩進(jìn)行定期缺損檢測(cè)。隨著檢測(cè)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)

2、在的檢測(cè)方法都立足于對(duì)被測(cè)物體不造成任何損傷，即無損檢測(cè)技術(shù)。目前應(yīng)用于鋼絲繩檢測(cè)的無損檢測(cè)方法較多，主要有目視檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、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。從磁粉檢測(cè)演化而來的漏磁無損檢測(cè)是建立在如鋼絲繩、鋼棒等磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性基礎(chǔ)之上的。磁性材料如鋼絲繩被磁化后，磁場(chǎng)會(huì)在磁回路中建立，對(duì)于無損傷鋼絲繩，磁回路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為固定值，且其表面基本無磁場(chǎng)溢出。當(dāng)鋼絲繩有破損時(shí)，其磁通會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，引起磁回路中磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，在其表面亦會(huì)有部分磁場(chǎng)溢出。通過檢測(cè)磁回路中的磁場(chǎng)變化以及溢出磁場(chǎng)的強(qiáng)度，即可判斷出鋼絲繩的破損狀

3、態(tài)和位置。本文主要研究通過檢測(cè)溢出磁場(chǎng)即漏磁場(chǎng)強(qiáng)度判定鋼絲繩表面損傷的狀態(tài)。漏磁場(chǎng)檢測(cè)方法具有在線檢測(cè)能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，從而能滿足生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用中的連續(xù)性、快速性和在線檢測(cè)的要求，使得漏磁檢測(cè)成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種檢測(cè)方法，大量應(yīng)用于鋼絲繩、管道等鐵磁性材料的無損檢測(cè)中。1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究概況鋼絲繩無損檢測(cè)是指在不損壞鋼絲繩使用的情況下，應(yīng)用一定的檢測(cè)技術(shù)和分析方法，對(duì)鋼絲繩的狀態(tài)特性予以測(cè)量，從而判斷出鋼絲繩的受損程度。國(guó)外開始研究漏磁檢測(cè)技術(shù)的起步較早，1933年zuschlug首先提出應(yīng)用磁敏傳感器測(cè)量漏磁場(chǎng)的思想，但直到1947年h

4、astings才設(shè)計(jì)出了第一套漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，統(tǒng)由于其檢測(cè)精度和檢測(cè)速度廣受好評(píng)，漏磁檢測(cè)才開始受到普遍關(guān)注。隨著研究的不斷深入，各種各樣的漏磁檢測(cè)設(shè)備不斷被研發(fā)出來，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，從管道內(nèi)測(cè)量到管道內(nèi)外的各類型缺陷的測(cè)量，從剛開始的定性測(cè)量到后期的定量測(cè)量，漏磁技術(shù)不斷完善。目前，漏磁檢測(cè)設(shè)備主要在其檢測(cè)精度、在線檢測(cè)、無干預(yù)檢測(cè)這幾個(gè)方面不斷升級(jí)。漏磁場(chǎng)分析的研究主要集中在利用計(jì)算機(jī)模擬分析各種不同缺陷對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)，通過模擬計(jì)算判斷被測(cè)磁性物體損傷的類型、大小和位置。目前的漏磁檢測(cè)裝置，不僅能夠完成被測(cè)物體的缺陷報(bào)警，同時(shí)能夠通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析來定量的判斷其損傷的類型、大小和位置，

5、其檢測(cè)精度不斷提高，檢測(cè)內(nèi)容不斷完善。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)漏磁檢測(cè)技術(shù)研究工作起步較晚，其總體技術(shù)水平落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。但隨著國(guó)內(nèi)科研人員的不懈努力，漏磁檢測(cè)技術(shù)蓬勃發(fā)展，在各行業(yè)各領(lǐng)域均可見到國(guó)內(nèi)漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究成果。諸如輸油管道內(nèi)外缺陷無損測(cè)量、鋼絲繩無損測(cè)量等技術(shù)設(shè)備。國(guó)內(nèi)研究漏磁檢測(cè)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。其中華中科技大學(xué)的楊叔子、康宜華、武新軍等，在儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)研究和管道漏磁無損檢測(cè)傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測(cè)等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，其研究成果廣泛應(yīng)用于相關(guān)行業(yè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)漏磁檢測(cè)的相關(guān)空白。但是總體而言，國(guó)內(nèi)的

6、漏磁檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備落后于國(guó)外同類產(chǎn)品，尤其是在設(shè)備的小型化、智能化和在線檢測(cè)能力上相差較大。因此本文提出一種基于arm的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用lm3s615為硬件核心，有利于設(shè)備小型化，使之能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)的要求。降低系統(tǒng)對(duì)于操作人員的素質(zhì)要求，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和智能化。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及論文主要研究工作1.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路通過對(duì)國(guó)內(nèi)外漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)的研究，總結(jié)出如圖1.1所示的設(shè)計(jì)思路。漏磁場(chǎng)信號(hào)的特點(diǎn)及檢測(cè)系統(tǒng)的性能要求是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，根據(jù)漏磁信號(hào)的特點(diǎn)來確定信號(hào)采集和分析處理的方法，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)性能要求進(jìn)行系統(tǒng)硬件選擇，并綜合考慮信號(hào)采集和處理方法的硬件要求；在硬件基

7、礎(chǔ)之上進(jìn)行相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。圖1.1 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(duì)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。1.3.2 主要完成的研究工作本文主要是鋼絲繩在線無損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)。通過研究目前常用的漏磁場(chǎng)檢測(cè)方法和儀器，設(shè)計(jì)了以磁阻傳感器為核心部件的漏磁探頭，采用相關(guān)分析方法對(duì)采集的漏磁信號(hào)進(jìn)行處理，可有效的提高測(cè)量精度，尤其對(duì)于單根鋼絲繩細(xì)微的表面破損有較好的檢測(cè)效果。本系統(tǒng)基于arm，極大的降低系統(tǒng)功耗，便于實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的目的，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高運(yùn)算

8、速度，具有設(shè)計(jì)靈活，現(xiàn)場(chǎng)可編程，調(diào)試簡(jiǎn)單和體積小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)直接檢測(cè)的要求。同時(shí)，由于arm的模塊化設(shè)計(jì)，只需修改核心的控制模塊，并重新燒寫，就可實(shí)現(xiàn)算法的改進(jìn)和升級(jí)，為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性打下良好的基礎(chǔ)。論文完成了以下工作：a文中分析了常用的鋼絲繩無損檢測(cè)技術(shù)，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)，選用以測(cè)磁原理為基礎(chǔ)的漏磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)方法；通過對(duì)國(guó)內(nèi)外漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的研究，確定了以arm為硬件基礎(chǔ)，相關(guān)分析為信號(hào)處理方法的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在線無損檢測(cè)的功能。b完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的細(xì)節(jié)，確定檢測(cè)系統(tǒng)總體方案及軟硬件方案。并討論了相關(guān)分析的理論及算法，在理論上對(duì)相關(guān)分析消除噪聲、提高信號(hào)信噪比進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并

9、運(yùn)用仿真及實(shí)驗(yàn)的方法論證了相關(guān)分析提取信號(hào)的方法及在漏磁信號(hào)檢測(cè)中的有效性。c通過研究漏磁檢測(cè)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(cè)探頭的設(shè)計(jì)。d完成了漏磁檢測(cè)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(chǔ)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。e通過對(duì)各種軟件設(shè)計(jì)方法的研究，提出模塊化智能化設(shè)計(jì)思想，在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，使用c語言實(shí)現(xiàn)互相關(guān)算法編程及人機(jī)交互界面。f通過對(duì)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試分析，確定檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示其性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。g總結(jié)系統(tǒng)存在的缺陷和不足，提出改進(jìn)思路。2 系統(tǒng)總

10、體設(shè)計(jì)方案2.1 鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)概要鋼絲繩無損檢測(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?；谶@一思想，提出檢測(cè)系統(tǒng)的性能要求，即連續(xù)性、快速性和在線檢測(cè)。根據(jù)性能要求，綜合緒論中的設(shè)計(jì)思路，提出如下設(shè)計(jì)方案。2.1.1鋼絲繩無損檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)也同樣具有這三大功能，圖2.1顯示了這三大功能之間的相互關(guān)系。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(hào)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)

11、用戶提供的參考值，與處理結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，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。圖2.1 系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)中的絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集部分的核心是傳感器，主要功能是通過勵(lì)磁裝置對(duì)被測(cè)鋼絲繩進(jìn)行磁化，聚磁回路加強(qiáng)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁敏傳感器探測(cè)漏磁信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊主要由預(yù)處理及相應(yīng)算法組成，其作用是提高信號(hào)信噪比，抑制噪聲，增大微弱信號(hào)幅度，從而能有效提取出有用信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)中包含的有效信息，判斷出鋼絲繩的損壞程度；數(shù)據(jù)輸出模塊包括數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)及傳輸。b. 鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)工作流程對(duì)于無任何損傷的鋼絲繩，使用勵(lì)磁裝置磁化時(shí)，其表面幾乎沒有磁感應(yīng)線穿出，檢測(cè)其磁場(chǎng)強(qiáng)度基本為

12、零。鋼絲繩由于損壞變形其本身的磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，在損壞變形處磁導(dǎo)率變小，磁阻增加。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。因此可使用靈敏度較高的磁敏元件對(duì)已磁化鋼絲繩進(jìn)行測(cè)量，采集漏磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大濾波處理后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再送入arm，進(jìn)行fir數(shù)字濾波、處理、分析，并將結(jié)果輸出，然后用戶可根據(jù)分析結(jié)果判斷被測(cè)鋼絲繩受損是否超標(biāo)，從而確定該鋼絲繩是繼續(xù)使用還是需要更換。整個(gè)過程可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其工作流程如圖2.2所示。圖2.2 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。表面缺

13、損最為常見如裂紋、坑點(diǎn)、孔洞、斷裂等。針對(duì)不同的鋼絲繩受損狀態(tài)，使用不同的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，才能獲得較好的檢測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)基于arm7設(shè)計(jì)，采用漏磁檢測(cè)方法，運(yùn)用互相關(guān)運(yùn)算，以期望能夠滿足多種不同狀態(tài)受損鋼絲繩的檢測(cè)要求及精度要求。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。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.3所示。圖2.3 鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.2 鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)組成a. 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集工作是依靠檢測(cè)探頭完成，考慮到漏磁信號(hào)十分微弱且淹沒在

14、強(qiáng)干擾噪聲中，因此設(shè)計(jì)中選用磁阻傳感器作為磁敏元件，較霍爾器件靈敏度更高。檢測(cè)探頭是整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)的初始端，也是系統(tǒng)信號(hào)的來源，其主要功能是完成對(duì)被測(cè)鋼絲繩漏磁信號(hào)的檢測(cè)，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。檢測(cè)探頭中傳感器性能的高低直接關(guān)系到能否有效檢測(cè)出所需的漏磁信號(hào)。檢測(cè)探頭主要包括傳感器、聚磁和磁化三個(gè)部分17。為便于arm分析處理，需要將空間域的漏磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間域信號(hào)，采用磁電信號(hào)的時(shí)空域采樣方法，可滿足這一要求。采集的漏磁信號(hào)為模擬信號(hào)，需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才可傳送給arm，這一工作由a/d轉(zhuǎn)換電路完成。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

15、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。信號(hào)處理是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，主要包括放大處理，模擬濾波處理、fir數(shù)字濾波處理、和漏磁信號(hào)的相關(guān)分析等。其中放大處理，模擬濾波處理依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)，包括放大濾波電路，arm系統(tǒng)及周邊電路。而fir數(shù)字濾波處理、漏磁信號(hào)的相關(guān)分析等依靠軟件實(shí)現(xiàn)。c. 信號(hào)輸出其主要作用是將處理結(jié)果輸出、顯示、存儲(chǔ)。通過相應(yīng)硬件電路完成。d. 人機(jī)互動(dòng)接口包括鍵盤、lcd。鍵盤可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定等；lcd提供界面顯示。e. 光電編碼器它是一種通過光電轉(zhuǎn)

16、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。f. 時(shí)鐘：由arm內(nèi)部晶振提供50mhz頻率的時(shí)鐘信號(hào)。2.1.3 鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案整個(gè)硬件系統(tǒng)可分為三大部分：檢測(cè)探頭單元，信號(hào)采集轉(zhuǎn)換單元，基于arm的數(shù)據(jù)處理及控制單元。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2.4所示。系統(tǒng)硬件是鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行控制核心，其所有功能諸如對(duì)采集時(shí)間的控制、運(yùn)算分析、信號(hào)存儲(chǔ)、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。設(shè)計(jì)中完成了主要芯片的選取以及基于arm芯片的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案框圖2.1.4 鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于ads軟核

17、處理器開發(fā)，使用c語言實(shí)現(xiàn)。硬件是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)者，而軟件是系統(tǒng)功能的指揮者，優(yōu)秀的軟件能極大提高系統(tǒng)的硬件性能。鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)的功能就是實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在線無損檢測(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，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。其主要功能可分為六部分：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)為完成這些功能間數(shù)據(jù)的調(diào)度，避免訪問沖突，還應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)度軟件程序。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。包括a/

18、d轉(zhuǎn)換軟件模塊、存儲(chǔ)軟件模塊、人機(jī)互動(dòng)軟件模塊、數(shù)據(jù)調(diào)度軟件模塊以及arm核心軟件模塊?；驹O(shè)計(jì)方案如圖2.5所示。圖2.5 軟件設(shè)計(jì)方案2.2 漏磁信號(hào)處理2.2.1 信號(hào)處理流程鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)處理的基本流程是采集已磁化鋼絲繩的漏磁信號(hào)，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大濾波，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供arm使用，通過fir數(shù)字濾波后進(jìn)行相關(guān)處理，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行分析判決，從而判斷出鋼絲繩是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。由于鋼絲繩工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)受到多種干擾的影響，并且漏磁信號(hào)及其微弱，經(jīng)常被淹沒在強(qiáng)噪聲背景中。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)。信號(hào)處理流程框圖如圖2.6所示。

19、圖2.6 信號(hào)處理流程框圖漏磁場(chǎng)信號(hào)微弱且淹沒于強(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。因此系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了放大電路和模擬濾波電路。放大電路選用集成運(yùn)放lm358差動(dòng)輸入方式，模擬濾波電路采用帶通濾波方式。2.2.2 fir數(shù)字濾波fir是有限沖激響應(yīng)（finite impulse response）的簡(jiǎn)稱。fir濾波器是在數(shù)字信號(hào)處理中經(jīng)常使用的兩種基本的濾波器之一。由于設(shè)計(jì)中運(yùn)用相關(guān)處理，則要求信號(hào)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，所以在濾波過程中，對(duì)信號(hào)的頻率、相位等參數(shù)影響越小越好，而使用fir濾波器容易獲得嚴(yán)格的線性相位特性，可以有效避免信號(hào)的相位失真。因此設(shè)計(jì)中選用fir濾波器。a. fir

20、濾波器原理一個(gè)理想濾波器的特性可以用下式表達(dá)。 (2.1)使用傅里葉反變換可求得理想的單位沖激響應(yīng)。 (2.2)從式（2.1）和式（2.2）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?？紤]使用有限長(zhǎng)度的沖激響應(yīng)函數(shù)，使函數(shù)的值盡量逼近理想fir沖激相應(yīng)函數(shù)。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置好函數(shù)的長(zhǎng)度，即可基本實(shí)現(xiàn)其濾波功能。若使用表示截取后的沖激響應(yīng)，即，式中的為窗函數(shù)，長(zhǎng)度為n。使用窗函數(shù)就可構(gòu)建滿足使用要求的fir濾波器。這里需構(gòu)造一個(gè)長(zhǎng)度為n的線性相位濾波器，將截取一段，并保證截取的一段對(duì)(n-1)/2對(duì)稱。b. 窗函

21、數(shù)窗函數(shù)的作用是從理想沖激響應(yīng)中的無限個(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。fir數(shù)字濾波器中較常用的窗函數(shù)主要有以下幾種。(1) 矩形窗：n項(xiàng)矩形窗為 ，其他處為零。 (2.3)(2) 漢寧窗：長(zhǎng)度為n的漢寧窗定義為，()。 (2.4)(3) 漢明窗：長(zhǎng)度為n的漢明窗定義為，()。 (2.5)(4) 布萊克曼窗：長(zhǎng)度為n的布萊克曼窗定義為，()。 (2.6)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2.9所示圖2.9 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)的過渡帶最窄，但阻帶最小衰減也最差，僅-21

22、db；布萊克曼窗設(shè)計(jì)的阻帶最小衰減最好，達(dá)-74db，但過渡帶最寬，約為矩形窗設(shè)計(jì)的三倍。幾種窗口函數(shù)的具體性能比較見表2.1。表2.1 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4/n-13-21漢 寧8/n-31-44漢 明8/n-41-53布萊克曼12/n-57-74經(jīng)過測(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。2.3 信號(hào)處理方法2.3.1 等空間采樣技術(shù)鋼絲繩無損檢測(cè)過程中，漏磁場(chǎng)信號(hào)與鋼絲繩受損位置有關(guān)，而與檢測(cè)時(shí)間無關(guān)，這種空間位置函數(shù)的信號(hào)稱之為空間域信號(hào)，其特征在空間域中才能得到真實(shí)反映。所以在檢測(cè)過程中，需要取得被測(cè)鋼

23、絲繩受損位置的空間信息。設(shè)計(jì)中，使用編碼器獲取這一相應(yīng)空間域信息。但是通常在時(shí)域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，因此設(shè)計(jì)中采用傳感器件將空間域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域電信號(hào)，獲得與檢測(cè)相關(guān)的特征信號(hào)18。a信號(hào)的等空間間隔采樣方法空間域信號(hào)采樣的核心是如何將空間域信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理的時(shí)域信號(hào)。在漏磁信號(hào)檢測(cè)過程中，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。根據(jù)空間域信號(hào)采樣方法，設(shè)計(jì)中將位置編碼器固定于檢測(cè)探頭，使編碼器的導(dǎo)輪沿鋼絲繩軸向作純滾動(dòng)，帶動(dòng)編碼器的光柵同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢

24、測(cè)探頭相對(duì)于鋼絲繩每移動(dòng)一個(gè)空間采樣間距時(shí)，在光柵的作用下，光敏管輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。通過這一脈沖控制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。由于檢測(cè)探頭移動(dòng)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(hào)序列即為等空間采樣信號(hào)。這一方法的實(shí)現(xiàn)過程如圖2.10所示。圖2.10 等空間采樣系統(tǒng)原理圖空間域信號(hào)的采樣一般是在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行的，因此必須同時(shí)滿足信號(hào)在空間域采樣定理的要求和在時(shí)域采樣定理的要求。b等空間采樣間距的選擇在鋼絲繩檢測(cè)中，采樣間距直接決定著采樣中的數(shù)據(jù)量，影響著鋼絲繩檢測(cè)的精度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得出檢測(cè)數(shù)據(jù)量與采樣間距的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.11

25、所示。如果采樣間距選擇過大，缺陷信號(hào)可能被漏檢；如果采樣間距選擇過小，由圖2.11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。圖2.11 檢測(cè)數(shù)據(jù)量與采樣間距的對(duì)應(yīng)關(guān)系從圖2.11可以得出，采樣間距選擇在曲線1.02.0mm較為理想。位置編碼器的采樣間距的大小由導(dǎo)輪直徑d和光柵的數(shù)目n決定，其關(guān)系式為。 (2.7)根據(jù)公式（2.7）可以選擇位置編碼器的直徑d、光柵的數(shù)目n。c. 等空間采樣的實(shí)現(xiàn)編碼器滾輪和鋼絲繩做純滾動(dòng)，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(hào)確定采樣時(shí)刻并發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，在觸發(fā)信號(hào)控制下系統(tǒng)讀取i/o狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)等空間采樣。在鋼絲繩工作現(xiàn)場(chǎng)，鋼絲繩運(yùn)動(dòng)非勻速

26、，因此脈沖觸發(fā)信號(hào)發(fā)出的時(shí)間間隔是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，脈沖信號(hào)發(fā)出的頻率較高，即讀取采樣信號(hào)較快；當(dāng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)速度較慢時(shí)，脈沖信號(hào)發(fā)出的頻率較低，則讀取采樣信號(hào)較慢，但從空間角度來看，每次采樣的空間間隔都是相同的，從而實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的等空間采樣。2.3.2 相關(guān)分析理論與算法a. 相關(guān)分析概述相關(guān)技術(shù)的方法和理論在信號(hào)和系統(tǒng)分析中占有重要的位置。近些年來，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路的成本越來越低，因此相關(guān)技術(shù)在工業(yè)過程控制有關(guān)領(lǐng)域的使用越來越廣泛，特別在數(shù)據(jù)處理和微弱信號(hào)檢測(cè)方面，相關(guān)技術(shù)以自己的優(yōu)勢(shì)，有效地解決了許多工業(yè)難題。相關(guān)檢測(cè)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面

27、。 （1）從噪聲中提取信號(hào)確定信號(hào)自身相關(guān)性較強(qiáng)，并且其相關(guān)性與時(shí)間無關(guān)；而干擾噪聲本身相關(guān)性較弱。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。（2）渡越時(shí)間（transit time）檢測(cè)對(duì)于兩路具有延時(shí)特性的隨機(jī)信號(hào)，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(hào)的互相關(guān)函數(shù)取得最大值。利用這一特性，可以由互相關(guān)函數(shù)最大值位置測(cè)量出延時(shí)值的大小。（3）速度檢測(cè)如果能夠確定兩點(diǎn)直接的距離，檢測(cè)出目標(biāo)物體通過這段距離所需要的時(shí)間，也就測(cè)出了目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度。這種方法常用于常規(guī)檢測(cè)儀器難于應(yīng)用的檢測(cè)對(duì)象。例如高溫對(duì)象無

28、法直接目視測(cè)量。（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。（5）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)又稱作系統(tǒng)辨識(shí)，是近年來迅速發(fā)展的領(lǐng)域。對(duì)于大型工業(yè)系統(tǒng)其動(dòng)態(tài)性的確定，往往無法直接測(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題。b. 自相關(guān)函數(shù)隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)是其時(shí)域特性的平均度量，反映了隨機(jī)噪聲本身在不同時(shí)刻（例如和）取值的相關(guān)程度，其定義為， (2.8)對(duì)于各態(tài)遍歷的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，其統(tǒng)計(jì)特征量與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)。令、，簡(jiǎn)記為，即 (2.9)用時(shí)間平均來計(jì)算式(2.9)，自相關(guān)函數(shù)可以表示為 (2.10)自

29、相關(guān)函數(shù)具有以下重要特點(diǎn)。(1) 對(duì)于實(shí)信號(hào)，自相關(guān)函數(shù)是的偶函數(shù)，即。(2) 周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)與原信號(hào)周期相同，相位不同的周期信號(hào)。(3) 自相關(guān)函數(shù)在時(shí)取得最大值，其值等于該信號(hào)的均方值。(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。c. 互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)反映兩個(gè)不同的隨機(jī)噪聲和在不同時(shí)刻和取值的相關(guān)程度，其定義為 (2.11)若、兩路隨機(jī)信號(hào)平穩(wěn)，則其統(tǒng)計(jì)特征量與時(shí)間起點(diǎn)無關(guān)。令、，則，簡(jiǎn)記為，即 (2.12)若、同時(shí)又是各態(tài)遍歷的，則可以用時(shí)間平均來計(jì)算式(2.7)，這時(shí)互相關(guān)函數(shù)可以表示為 (2.13)互相關(guān)函數(shù)具有以下特點(diǎn)。（1）互相關(guān)函數(shù)不再是偶函數(shù)，即但

30、。（2）趨于無窮大時(shí)，互相關(guān)函數(shù)可以寫成和均值的乘積，即 (2.14)（3）互相關(guān)函數(shù)的上界由下式確定 (2.15)（4）對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)噪聲，僅與時(shí)間差有關(guān)，與計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)無關(guān)。d. 相關(guān)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算分為模擬積分方式和數(shù)字累加方式兩類，主要針對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理。計(jì)算方法分別如下。（1）模擬積分方式對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)和，根據(jù)定義，其自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)可以分別表示為 (2.16) (2.17)在理論上上面兩個(gè)公式中的積分時(shí)間是無窮大。但是在實(shí)際應(yīng)用中不可能滿足這一點(diǎn)。通常的做法是在有限積分時(shí)間t內(nèi)計(jì)算相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值，即 (2.18) (2.19)式中，表示的自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)，表示

31、和的互相關(guān)的估計(jì)。因?yàn)榉e分時(shí)間有限，所以估計(jì)值結(jié)果會(huì)有偏差。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(zhǎng)，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。 （2）數(shù)字累加方式數(shù)字累加是將式（2.16）（2.19）離散化后的直接結(jié)果。將被測(cè)信號(hào)和取樣，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可得到離散的數(shù)字信號(hào)和，利用累加平均的方式實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算，則信號(hào)自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值分別表示為 (2.20) (2.21)其中，n表示累加平均的次數(shù)，k為延時(shí)序號(hào)。目前的許多研究和應(yīng)用領(lǐng)域中，都涉及到微弱信號(hào)的精密測(cè)量。然而對(duì)任何一個(gè)系統(tǒng)，必然存在電路內(nèi)部噪聲，這一噪聲信號(hào)根本不可能完全除去，需要在信號(hào)處

32、理中加以削弱，以凸顯有效信號(hào)；而當(dāng)所測(cè)量的信號(hào)較微弱時(shí)，如何把淹沒于噪聲中的有用信號(hào)提取出來，是目前微弱信號(hào)處理的焦點(diǎn)問題。2.3.3 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。a漏磁信號(hào)提?。?）互相關(guān)處理對(duì)于信號(hào)提取的特點(diǎn)設(shè)計(jì)中，兩組傳感器將采集到的漏磁信號(hào)傳送至arm系統(tǒng)中，由相關(guān)分析進(jìn)行相應(yīng)處理。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。漏磁信號(hào)互相關(guān)運(yùn)算基本原理如圖2.12所示

33、。圖2.12 互相關(guān)原理兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)分別為、分別表示干擾噪聲。對(duì)兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)和做互相關(guān)處理，得 (2.22)式中、分別表示信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)、信號(hào)與噪聲的互相關(guān)函數(shù)、噪聲與噪聲的互相關(guān)函數(shù)。假定（這也符合實(shí)際情況），若、互相獨(dú)立，則式(2.22)后三項(xiàng)均為零。則由式(2.22)可得 (2.23)由式(2.23)，可以看到不包含噪聲的自相關(guān)項(xiàng)，所以可根據(jù)各種值的判斷的相關(guān)性特征。使用matlab軟件驗(yàn)證上面的理論推斷。假設(shè)輸入信號(hào)正弦信號(hào)為，并混有噪聲信號(hào)、，則輸入信號(hào)分別為。 (2.24) (2.25)其中為時(shí)間間隔，由編碼器脈沖信號(hào)確定。信號(hào)互相關(guān)運(yùn)算可得 (2.26)根據(jù)相關(guān)

34、函數(shù)特性可知，式(2.26)的后3項(xiàng)均趨向于零，則理想狀況下的互相關(guān)函數(shù)為 (2.27)仿真中，設(shè)時(shí)刻采集樣本信號(hào)1為，0t49，伴隨隨機(jī)噪聲；時(shí)刻采集樣本信號(hào)2為，0t49，伴隨隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲使用matlab中的randn函數(shù)實(shí)現(xiàn)。為提高仿真效果，信號(hào)信噪比較大，設(shè)置為5。matlab仿真核心語句為 figure; t=0:99; xn=xs1+xn1+xs2+xn2; xsig=xcorr(xn); plot(real(xsig); ylabel(“幅值”); xlable(“時(shí)間”); title(“互相關(guān)信號(hào)”)其中xs1、xs2為正弦信號(hào)；xn1、xn2為隨機(jī)噪聲。如圖2.13所

35、示其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸單位秒，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值單位毫米。經(jīng)過互相關(guān)分析后的波形，如圖2.14所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸單位秒，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值單位毫米。由圖2.13和圖2.14對(duì)比可以看出，經(jīng)過互相關(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)。圖2.13 兩時(shí)間段采樣信號(hào)圖2.14 經(jīng)互相關(guān)運(yùn)算后輸出信號(hào)由式(2.18)可知，互相關(guān)處理結(jié)果不包含噪聲的自相關(guān)項(xiàng)，而只于有用信號(hào)有關(guān)，其值為的幅值之積再乘以的自相關(guān)項(xiàng)，與時(shí)間無關(guān)。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

36、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。為驗(yàn)證這一推斷，做如下仿真。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。圖2.15、2.16為理想狀態(tài)下漏磁信號(hào)互相關(guān)結(jié)果。圖2.15 仿真漏磁信號(hào)圖2.16 互相關(guān)處理結(jié)果圖2.15中仿真鋼絲繩兩處破損的漏磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)互相關(guān)處理后結(jié)果為圖2.16所示，處理信號(hào)幅度較大，分布規(guī)則，且波形相同。變化輸入信號(hào)相位，得到以下推斷。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。改變輸入信

37、號(hào)特征值大小，互相關(guān)結(jié)果后的信號(hào)特征值大小隨之改變，但符號(hào)不發(fā)生變化。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。由以上結(jié)論可知，在漏磁信號(hào)檢測(cè)中，鋼絲繩破損位置不會(huì)影響處理結(jié)果，其結(jié)果只和破損程度有關(guān)，并且處理后的信號(hào)最強(qiáng)特征值表現(xiàn)為鋼絲繩破損所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)信號(hào)。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。（2）互相關(guān)處理提取漏磁信號(hào)對(duì)一根鋼絲繩進(jìn)行人為破壞，使其表面出現(xiàn)細(xì)縫損傷，細(xì)縫寬度與其深度之比約為0.25，對(duì)這一鋼絲繩進(jìn)行漏磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量，測(cè)量信號(hào)如圖2.17所示。圖2.17 傳感器輸入信號(hào)1圖2.17中，漏磁信號(hào)均已被噪聲信號(hào)淹沒，無法正確識(shí)別。進(jìn)行互相關(guān)處理后，其結(jié)果

38、如圖2.18所示。圖2.18 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。另對(duì)鋼絲繩做較大范圍表面損壞，但其破損深度較淺，其寬度與其深度之比約為4，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖2.19所示。圖2.19 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2.20所示。圖2.20 互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)表明互相關(guān)處理對(duì)于鋼絲繩破損有較好的運(yùn)算結(jié)果，特別是對(duì)表面大面積破損的信號(hào)，較為靈敏。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

39、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)。在一般情況下，由于環(huán)境復(fù)雜，所檢測(cè)的漏磁信號(hào)中，噪聲相關(guān)性均較弱，所以相關(guān)性較強(qiáng)的諧波分量不會(huì)太多，這時(shí)，可以考慮采用信號(hào)還原的方法，將具有較強(qiáng)相關(guān)性的諧波分量去除，在進(jìn)行互相關(guān)處理，從而可得到較好的分析結(jié)果。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

40、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。利用自相關(guān)處理對(duì)信號(hào)進(jìn)行還原是基于這樣的原理：對(duì)于任何有限長(zhǎng)的信號(hào)都可以看作是多個(gè)諧波分量構(gòu)成，信號(hào)的相關(guān)性越差，則構(gòu)成信號(hào)的諧波分量越多。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。通過這一原理，可將檢測(cè)的漏磁信號(hào)進(jìn)行信號(hào)還原。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。對(duì)于疊加了噪聲的信號(hào)，用相關(guān)法恢復(fù)此信號(hào)的迭

41、代過程如下。（1）令諧波序號(hào)i=1。（2）計(jì)算疊加了噪聲的信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。（3）檢查是否有可觀測(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）。（4）找到中最強(qiáng)的周期性分量，集中注意比較大時(shí)的，此時(shí)噪聲的自相關(guān)函數(shù)會(huì)足夠小，判別信號(hào)的相關(guān)參數(shù)不會(huì)太困難。確定該分量的周期或頻率，這也是會(huì)保留在噪聲中的信號(hào)的最強(qiáng)的頻率分量的頻率。（5）計(jì)算和的互相關(guān)函數(shù)，從中幾乎是諧波的形式中，估計(jì)頻率為的分量的幅度和相位。（6）從中減去該頻率的分量，即令。（7），轉(zhuǎn)到步驟（2）。（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 (2.28)信號(hào)還原的軟件流程圖如圖2.21所示。圖

42、2.21 相關(guān)法恢復(fù)諧波分量流程圖由以上分析可知，利用信號(hào)還原可以將具有較強(qiáng)相關(guān)性的諧波分量從信號(hào)中去除，這樣可以提高互相關(guān)分析的準(zhǔn)確性。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。2.3.4 相關(guān)分析的c語言實(shí)現(xiàn)在第二章中詳細(xì)描述了自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)對(duì)于微弱信號(hào)處理的計(jì)算方法，由此可知相關(guān)分析處理漏磁場(chǎng)信號(hào)是非常有效的方法。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。由相關(guān)函數(shù)定義以及在應(yīng)用中的實(shí)際情況，可得信號(hào)自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值分別表示為式（2.29）和式（2.30）。 （2.29） （2.30）軟件流程如圖2.22所示。 圖2.22 互相關(guān)

43、算法流程圖3 系統(tǒng)開發(fā)工具介紹及調(diào)試3.1 ads集成開發(fā)環(huán)境介紹ads集成開發(fā)環(huán)境是arm公司推出的arm核微控制器集成開發(fā)工具，英文全稱arm developer suite，成熟版本為ads1.2。ads1.2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2001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。ads1.2由6部分組成：（1）代碼生成工具，包含arm匯編器，arm的c、c+編譯器，thumb的c、c+編譯器，arm連接器，由cod

44、e warrior ide調(diào)用；（2）集成開發(fā)環(huán)境code warrior ide，實(shí)現(xiàn)工程管理和編譯連接；（3）調(diào)試器axd，仿真調(diào)試，能夠裝載映像文件到目標(biāo)內(nèi)存，具有單步、全速和斷點(diǎn)等調(diào)試功能，可以觀察變量、寄存器和內(nèi)存等數(shù)據(jù)；（4）指令模擬器armulator，由axd調(diào)用；（5）arm開發(fā)包，包含一些底層的例程和實(shí)用程序，由code warrior ide調(diào)用；（6）arm應(yīng)用庫，包含c、c+函數(shù)庫等，供用戶程序應(yīng)用。我們一般應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境code warrior ide和調(diào)試器axd。3.2工程編輯3.2.1 建立工程 點(diǎn)擊windows操作系統(tǒng)的【開始】【程序】【arm deve

45、loper suite v1.2】【codewarrior for arm developer suite】啟動(dòng)metrowerks codewarrior；或雙擊“codewarrior for arm developer suite”快捷方式啟動(dòng)，啟動(dòng)ads1.2 ide如圖3.1所示。 圖3.1 啟動(dòng)ads1.2 ide點(diǎn)擊【file】菜單，選擇【new】即彈出new對(duì)話框，如圖3.2所示。圖3.2 new對(duì)話框mb executable image)，或thumb、arm交織映象(thumb arm interworking image)，然后在【location】項(xiàng)選擇工程存放路徑，

46、并在【project name】項(xiàng)輸入工程名稱，點(diǎn)擊【確定】按鈕即可建立相應(yīng)工程，工程文件名后綴為mcp（下文有時(shí)也把工程稱為項(xiàng)目)。3.2.2 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3.3所示。圖3.3 “new text file”圖標(biāo)按鈕然后在新建的文件中編寫程序，點(diǎn)擊“save”圖標(biāo)按鈕將文件存盤，輸入文件全名，如test1.s。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。在工程窗口中右鍵點(diǎn)擊【file】菜單，選“add to project”，即可彈出“select files to add”對(duì)話框，選擇相應(yīng)的源文

47、件，點(diǎn)擊【打開】按鈕即可完成添加。如圖3.4所示。 圖3.4 在工程窗口中添加源文件3.2.3 編輯鏈接工程單擊debugrel setting，進(jìn)行工程的地址設(shè)置，輸出文件設(shè)置和編譯選項(xiàng)等。單擊make按鈕，可完成編譯連接。如圖3.5所示。圖3.5 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。3.3 工程調(diào)試將easyjtag仿真器驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到ads的bin目錄中，仿真器與pc機(jī)連接。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。單擊option選擇configure target，彈出對(duì)話框，單擊add按鈕添加仿真器的驅(qū)動(dòng)程序，單擊

48、打開即可。選擇調(diào)試方式如圖3.6所示。圖3.6 choose target窗口軟件調(diào)試：軟件調(diào)試是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后階段。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。首先，編譯。通過在ads1.2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。然后，各模塊調(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。最后，系統(tǒng)調(diào)試。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。調(diào)試工作完成后，將程序經(jīng)過jtag下載線下載到電路板的主芯

49、片上，并在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。4 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1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)。根據(jù)貝塔朗菲定義，系統(tǒng)是相互聯(lián)系、相互作用著的諸元素的集或統(tǒng)一體。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。對(duì)于過程化編程采用自底向上的方法，而其他的方法都采用自頂向下的方法。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。a過程化編程方法過程化編程方法是將一個(gè)復(fù)雜的程序分解為若干個(gè)較小的過程，過程與過程之間相互關(guān)聯(lián)，每個(gè)過程單獨(dú)編程調(diào)試。但在有的程序中，過程聯(lián)系緊密，不容易區(qū)分。并且這一方法是從程序員的角度去考慮問題，僅

50、僅為了降低編寫難度，并沒有考慮使用者的習(xí)慣。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)。模塊和節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的一部分功能，并且和其他的部分有相互的連接，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件的功能。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)。c面向?qū)ο缶幊谭椒嫦驅(qū)ο蠓椒ㄕJ(rèn)為系統(tǒng)由一系列彼此獨(dú)立卻又相互聯(lián)系的對(duì)象組成，各對(duì)象間通過消息傳遞和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（數(shù)據(jù)流）來相互聯(lián)系，而各對(duì)象本身則是一個(gè)具有保持一定狀態(tài)能力和實(shí)施動(dòng)作能力的實(shí)體。它使對(duì)

51、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。面向?qū)ο蠓椒◤?qiáng)調(diào)對(duì)象（即元素）本身的實(shí)現(xiàn)方法，而對(duì)于對(duì)象之間相互聯(lián)系和相互作用描述不夠。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。對(duì)于軟件agent，則通過編碼位的字符串進(jìn)行感知和作用。到目前為止。面向智能體編程方法并沒有一個(gè)統(tǒng)一的編程規(guī)則。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

52、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）。以上四種編程方法各有特點(diǎn)，在探討編程方法基礎(chǔ)之上，綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)際情況，文中提出一種新的軟件構(gòu)建方法，更適合于本系統(tǒng)的使用，這種方法的特點(diǎn)集合了模塊化編程方法和面向智能體編程方法的優(yōu)點(diǎn)。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。這種方法的核心思想基于貝塔朗菲系統(tǒng)論，系統(tǒng)是“處于一定的相互關(guān)系中并與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的總體(或集)”；“要素”是組成系統(tǒng)最小的即不需再細(xì)分的單元或成份?！耙亍笔窍到y(tǒng)存在的基

53、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。在本文所提出的軟件構(gòu)建方法中，該“要素”被稱為模塊。其模型如圖4.1所示。由圖4.1可以看出，模塊既能保持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的開放特性，又具有較好的可修改性和可維護(hù)性的適應(yīng)性。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。圖4.1 模塊結(jié)構(gòu)模塊工作過程是：當(dāng)外部輸入進(jìn)行模塊時(shí)，內(nèi)部過程在知識(shí)庫的作用下，這里是由知識(shí)庫將系統(tǒng)配置的參數(shù)或方法傳遞給過程，由過程運(yùn)行，并將處理結(jié)果進(jìn)行輸出，然后將結(jié)果反饋至知識(shí)庫，知識(shí)庫將結(jié)果分析判斷后，通過意識(shí)輸出運(yùn)行過程的好、壞結(jié)果。在這一過程中，知識(shí)庫選擇的參

54、數(shù)或方法，是固定不變的，相當(dāng)于靜態(tài)過程。知識(shí)庫通過學(xué)習(xí)和反饋的輸出結(jié)果來修訂庫內(nèi)的參數(shù)和方法，在下一次運(yùn)行中，提供給過程經(jīng)過優(yōu)化的參數(shù)和方法，從而提高模塊的性能，這時(shí)對(duì)于輸入和輸出的過程相當(dāng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。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。這里需要說明的是，本文提出的軟件構(gòu)建方法中，模塊是有區(qū)分的。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。而對(duì)于功能模塊進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)調(diào)度的這一類模塊稱之為主模塊，由主模塊完成整個(gè)系統(tǒng)軟件的統(tǒng)籌管理。4.2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。初始化程序主要完成各個(gè)硬件的初始化、知識(shí)庫變量的初始化和過程關(guān)系的初始化；管理程序主要功能是，當(dāng)確定某一任務(wù)后，將輸入輸出連接起來；維護(hù)更新程序使系統(tǒng)具有自適應(yīng)性?；谝陨蟽?nèi)容，可構(gòu)建系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4.2所示。圖4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖由系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖分析，結(jié)合硬件功能，可將系統(tǒng)軟件分為時(shí)間調(diào)度、應(yīng)用層數(shù)據(jù)、界面管理程序、采集調(diào)度程