圖1 硬件配置框圖

前向檢測傳感裝置是基于漏磁通(LF型缺陷)和磁橋路平衡(LMA型缺陷)檢測原理設(shè)計實現(xiàn)的。
該系統(tǒng)電路接線原理圖如圖2所示。

圖2 檢測裝置電路原理圖

2.1 前向通道及其與MSP430單片機(jī)的接口設(shè)計
由于前向檢測裝置中采用了輸出電壓范圍為0.2-4.7V、靈敏度為5.0 mV/G的高靈敏集成霍爾元件UGN3515，再加上巧妙的硬件設(shè)計，合理的軟件算法，實踐表明，由前向通道采集的模擬電信號無需進(jìn)行濾波放大處理，經(jīng)電纜可直接送入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

MSP430F149內(nèi)置有8通道、12位ADC，擁有6個8位并行接口和64k的FLASH型ROM、2048位的RAM。本系統(tǒng)中，6路模擬電信號送入單片機(jī)的P6口(基于“中斷”的需求，另一路編碼器信號接P1.1口)，使用單片機(jī)內(nèi)嵌的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所得數(shù)字信號存入單片機(jī)內(nèi)存儲器相應(yīng)地址供軟件使用處理。

由于MSP430模擬量輸入通道電壓上限為3.3V，而前向霍爾元件輸出電壓范圍為0.2～4.7V，本系統(tǒng)前向通道采用了13kΩ、30kΩ的分壓電路。系統(tǒng)采用8V鋰電池供電，對于其中5V和3.3V的電壓，選用了MAX682ESA (5V±4%)和TPS7133 (3.3V±1%)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2 系統(tǒng)顯示、擴(kuò)展存儲模塊的設(shè)計
基于MSP430具有LCD驅(qū)動電路等多種系統(tǒng)內(nèi)置模塊的特點，為了便于人員操作及實時觀測，使儀器系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)對MSP430進(jìn)行了LCD液晶顯示器及4×4結(jié)構(gòu)矩陣式鍵盤擴(kuò)展設(shè)計，使其在采集處理外部信號的同時實時地顯示波形和鋼絲繩的報廢情況以及斷絲根數(shù)。本系統(tǒng)4×4結(jié)構(gòu)矩陣式鍵盤，包括10個數(shù)字鍵(用于設(shè)定鋼絲繩繩徑規(guī)格及相關(guān)參數(shù))和6個功能鍵。
·復(fù)位鍵:單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位;
·選擇鍵:選擇是否脫離PC機(jī);
·檢測鍵:脫離PC機(jī)鋼絲繩在線檢測;
·顯示鍵:顯示斷絲位置、斷絲根數(shù)及危險程等;
·參數(shù)鍵:選擇設(shè)置檢測相關(guān)參數(shù); 
·結(jié)束鍵:結(jié)束檢測或顯示狀態(tài)。
同時，在對鋼絲繩缺陷進(jìn)行檢測的實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要儀器能夠?qū)�檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時保存，以備單獨檢測完畢后將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)中進(jìn)行離線再分析或作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和打印。因此，本系統(tǒng)選擇了Winbond公司的W29C040大容量的閃速存儲器作為外圍擴(kuò)展模塊，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的存儲。W29C040的存儲容量為4兆位，即512k字節(jié)，只需要+5V電壓就可對其進(jìn)行擦除和編程寫入操作，且該存儲器還具有寫入速度快(寫入1個字節(jié)的典型時間周期為19.2μs，讀取時間為70ns)、功耗低(工作電流為25mA，閑置電流為μA級)、保存數(shù)據(jù)能力強(qiáng)(提供了數(shù)據(jù)寫入的軟件保護(hù)功能SPD和硬件數(shù)據(jù)保護(hù)，掉電后數(shù)據(jù)能夠保存10年以上)等優(yōu)越性能。

2.3 單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信設(shè)計 
在鋼絲繩檢測應(yīng)用中，為了滿足不同場合的需要，如離線再分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷或方便基于PC機(jī)實時分析等，除了可以通過單片機(jī)及其液晶模塊對檢測信號進(jìn)行實時采集、處理、分析及顯示結(jié)果外，本系統(tǒng)還設(shè)計了MSP430與PC機(jī)的接口。串口電平轉(zhuǎn)換電路沒有采用MAX232(5V)，而采用了 MAX3221EAE(3.3V)和5個0.1μf的電解電容。串口電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 串口電平轉(zhuǎn)換電路原理圖
3 軟件實現(xiàn)
本系統(tǒng)軟件由兩部分組成:單片機(jī)檢測軟件和PC機(jī)檢測軟件。單片機(jī)檢測軟件采用C語言編寫，主要包括檢測子程序、顯示子程序、串口通信子程序等獨立模塊。主程序流程圖如圖4所示。

 圖4 主程序(單片機(jī))流程圖
主程序完成系統(tǒng)初始化，在顯示緩沖區(qū)內(nèi)容與掃描鍵盤之間循環(huán)，等待命令輸入，并完成繩徑參數(shù)設(shè)定。檢測子程序是軟件的核心，為了不遺漏采集點，系統(tǒng)以編碼器脈沖信號申請外部中斷方式，請求CPU執(zhí)行其服務(wù)子程序，并在兩次中斷之間將采集到的數(shù)據(jù)存放在ADC數(shù)據(jù)寄存器ADAT中，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和斷絲判別工作。顯示子程序中，適當(dāng)?shù)难訒r循環(huán)顯示031H～03FH顯示緩沖區(qū)中的內(nèi)容。

串口通信則是以前置判斷的方式?jīng)Q定CPU是否執(zhí)行其服務(wù)子程序。當(dāng)應(yīng)用場合可以或需要使用PC機(jī)時，按下“選擇鍵”即啟動與上位機(jī)串行通信子程序。其流程圖如圖5所示。

圖5 串口通信程序流程圖
PC機(jī)檢測軟件用 Visual C＋＋6.0語言編寫，主要包括在線檢測、手動分析、自動分析、波形分析、檢測報告、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)保存、參數(shù)設(shè)置等模塊。其程序組成框圖如圖6所示。

 圖6 檢測程序(PC機(jī))組成框圖
系統(tǒng)采用多線程編程技術(shù)，當(dāng)按下“在線檢測”或“繼續(xù)在線檢測”時系統(tǒng)將啟動輔助線程，輔助線程專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和波形圖像的動態(tài)顯示，而主線程負(fù)責(zé)主程序界面的操作，從而很好地解決了Windows下對數(shù)據(jù)采集實時性差的問題。同時在系統(tǒng)編程時采用了先對內(nèi)存圖像操作，再顯示于程序界面，從而實現(xiàn)了波形和提示信息的動態(tài)顯示。在本系統(tǒng)中，采用Windows環(huán)境下的多線程編程技術(shù)和等空間間隔采樣技術(shù)，實現(xiàn)了信號的實時采集與波形的動態(tài)顯示，使系統(tǒng)操作方便、直觀。 

4 結(jié)束語
在實驗室條件下，已對該系統(tǒng)進(jìn)行了實驗檢測。通過對4組(每組8根)30m長的已知鋼絲繩，和多筒徑鋼管多鋼絲(棒)模擬鋼絲繩損傷檢測的實驗，結(jié)果顯示此裝置對外部斷絲檢測準(zhǔn)確率達(dá)到95％以上，內(nèi)部斷絲檢測準(zhǔn)確率達(dá)到90％以上，表明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定量化的實現(xiàn)鋼絲繩在線實時檢測。

單獨應(yīng)用，當(dāng)系統(tǒng)檢測到斷絲時，儀器可以實時發(fā)出聲警，液晶屏顯示出斷絲準(zhǔn)確位置、斷絲根數(shù)及危險程度。與上位PC聯(lián)機(jī)，系統(tǒng)在基于VC開發(fā)環(huán)境的友好人機(jī)交互界面下，實現(xiàn)了鋼絲繩斷絲檢測的自動識別與判斷，取得了令人滿意效果。

參考文獻(xiàn)
[1] Sao N L.Non-destructive Evaluation of Steel Wire Rope-Part 4[J]. Wire Industry, 1995, 63(11):774～779. 
[2] 康宜華,武新軍,楊叔子. 磁性無損檢測技術(shù)中的信號處理技術(shù)[J]. 無損檢測,2000,22(6).
[3] 胡大可. MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.