2018年03月31日 | 基于C8051F005微控制器的智能钢丝绳无损检测装置的设计

　　钢丝绳在使用过程中容易出现断丝、，磨损、锈蚀、局部形状异常、绳径缩细等缺陷，导致钢丝绳强度下降甚至失效，易引发事故。为实现钢丝绳检测装置的小型化和智能化，针对人眼检测钢丝绳的缺陷，本文设计了以C8051F005微控制器为核心，辅助单片机外围接口器件的便携式智能钢丝绳无损检测装置。该检测装置操作简单、功能全面，既可对钢丝绳进行在线检测，并将数据采集的过程与结果通过液晶显示器显示，又可通过USB接口将采集到的数据传输到PC机进行处理。

　　1．C8051F系列单片机简介

　　SILIConLabs公司的C8051F系列单片机为完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，即在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。它采用CIP-51微控制器内核，与目前常用的51系列单片机MCS-51指令集完全兼容。CIP-51微控制器内核在提升指令运行速度上采取了新的途径，即设法在保持RISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业。C8051F单片机系列已进入了8位高速单片机行列，与8051相比，在相同时钟下，单周期指令运行速度为原来的12倍，全指令集平均运行速度为原来的9.5倍。C8051F005是C8051F单片机系列中功能较全的一款，具有以下特点：

　　①速度快：高达25MIPS的速度，比标准8051快20倍以上。

　　②强大的控制功能：具有32位I/O口线，所有I/O口可以编程为弱上拉或推挽输出：具有独特的数字开关阵列，可以将内部系统资源定向到PO、P1和P2口。

　　③多达21个中断源：为实时多任务系统的实现提供了扎实的基础。④可靠的安全机制：有7种复位源，使系统的运行可靠性大大提高：利用JTAG口编程加密芯片，可以绝对保护用户的知识产权。

　　⑤强大的模拟信号处理能力：具有8路12位ADC(速度为100ks/s)、两路12位精度的DAC、两路模拟比较器、高精度基准电源、程控放大器和温度传感器。

　　⑥先进的JTAG调试功能：支持在线系统、全速、非插入调试和编程，不占任何片内资源。

　　2．硬件设计

　　硬件设计中检测装置主要由前端传感器、微处理器、液晶显示器、报警装置和USB接口等组成，原理框图如下图所示。

　　前端传感器应用漏磁通法将钢丝绳局部缺陷的异常信号通过漏磁场强度反映，应用磁桥路法将钢丝绳金属截面积的磨损信号直接反映在磁桥路的磁场强度变化上，从而检测钢丝绳的LF(LOCalizedFault)型缺陷和LMF(LosSOFMetallicArea)型缺陷。检测元件采用高灵敏线性集成霍尔元件，获得的检测信号具有与速度无关的特性，然后将检测信号输入到C8051F005微控制器内置的12位ADC进行A/D转换，单片机对转换后的数据进行处理。

　　液晶显示器RT12864M为128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，具有等光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能。液晶显示器和键盘为用户提供人机接口界面，用户可通过该界面了解系统的运行情况，进行必要的人工干预。

　　USB接口芯片采用PHILIPS公司的PDIUSBD12性价比较高的USB器件，可使设计者选择最合适的微控制器，减少开发时间、风险及费用，以最实用快捷的方法实现最为经济的USB外设的方案。USB接口的主要功能是将单片机采集的数据传输到PC机，使用户可以对数据进行二次处理或者作为原始数据进行打印、保存等。

　　报警装置在钢丝绳缺陷严重处实施报警，用户可通过软件编程进行设置。

　　检测装置电路原理图如下图所示。

　　3．软件设计

     在已有的硬件平台的基础上，可以将软件程序按功能模块划分初始化模块、采样模块、数据处理模块、液晶显示模块和USB通信模块等部分，各部分模块功能如下：初始化模块完成对所需参数初始化工作，包括对单片机和外围芯片的初始化配置。

　　采样模块包括使用单片机自带的ADC将模拟量转换为数字量的程序和数字滤波程序。

　　数据处理模块按照一定的算法计算采样值，然后与用户输入的钢丝绳标准值进行比较，即得出钢丝绳损伤程度。

　　液晶显示模块通过对其命令字中写入命令字节，进行开显示、改变显示起始行、设置显示页和显示列等操作；通过查询状态字了解显示器的工作状态；通过向各个显示RAM中写入不同的数据字节实现不同的图形或汉字的显示，从而为用户提供友好的界面。

　　USB通信模块按照USBl.1规范的要求与计算机进行通信，将实时采集到的数据高速回放到计算机中，形成原始数据文件。用户可以对其进行二次处理和分析。

　　各部分模块之间的关系如下图所示。

　　软件程序采用单片机高级语言C51编程，软件程序流程图如下图所示。

　　单片机C8051F005具有JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口可以对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式（不占用片内资源）、全速在系统调试。调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器及单步执行。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。对于开发和调试嵌入式应用来说，该系统的调试功能比采用标准MCU仿真器要优越得多。

　　4．系统抗干扰设计

　　由于检测装置采用电磁无损检测技术，在工作过程中受电磁干扰的影响很大。电磁干扰是电子系统辐射的寄生电能，这种寄生电能可能在附近的其它信号通道或系统上影响综合布线系统的正常工作，使波形图像扭曲变形、程序运行失常、控制信号误动作等。为保证检测仪的精度和可靠性，系统的抗干扰设计是不可缺少的。设计中可以从硬件和软件两方面进行抗干扰设计。硬件方面，被测钢丝绳必须磁化到深度饱和状态，尽量减小传感器磁性衔铁间的空气间隙：霍尔元件的信号传输为弱信号、长距离传输，检测系统的传输线采用双绞线，能有效抑制各种干扰信号；PCB印刷电路板的合理设计也是整个系统抗干扰性能的重要因素。软件方面，应用看门狗WDT技术可以使系统从瞬间的故障中得以恢复；还可对剩余ROM空间的数据填充、堆栈指针的重复设置等方法提高软件设计的稳定性。

　　5．结语

　　本文采用的8位高速单片机C8051F为控制核心设计的钢丝绳无损检测装置成功地实现了仪器的小型化和智能化，检测多以软件实现，便于检测系统的技术更新，实现完全数字化处理，同时检测系统还可作为便携式仪器完全脱离PC机实现在线现场检测，也可以通过USB通信接口将数据传输到计算机进行信号存储与再分析。该检测装置具有广阔的应用前景。