基于USB移動存儲的鋼絲繩探傷報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    在鋼絲繩探傷檢測中，要實(shí)現(xiàn)檢測傳感器到存儲器的數(shù)據(jù)交換。USB移動存儲器具有攜帶方便、操作快捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。隨著其技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)使用單片機(jī)控制來完成移動存儲這一過程成為了工控領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
2 USB功能模塊簡介
2.1模塊概述
   USB[1]是—種查詢(Polling)總線，由主控制器啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸。USB上所掛連的外設(shè)通過由主機(jī)調(diào)度的(Host-Scheduled)和基于令牌的(Token-Based)協(xié)議來共享USB帶寬。目前，絕大多數(shù)Host功能角色被集成在各種類型的PC機(jī)（或以上層次機(jī)器）上。各種各樣的基于USB 的移動設(shè)備，包括USB 移動存儲器、帶USB 接口的數(shù)碼相機(jī)等都集成USB Slave功能角色。這樣，就導(dǎo)致這些作為USB Slave 的USB 接口的數(shù)字設(shè)備無法應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。解決這一問題的根本辦法就是在需要使用USB 設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)中集成USB Host 功能模塊，使之具有與USB Slave設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。而MemMaster[2]模塊就具有這種功能。
     MemMaster 作為 USB 系統(tǒng)中的 Host 設(shè)備，帶有一個 Root HUB，可供用戶接入作為 Slave 的USB 移動存儲器。該 MemMaster 模塊遵守 USB 1.1 協(xié)議規(guī)范，支持所有基于 USB 的移動存儲器，支持 FAT12、FAT16 文件系統(tǒng)。MemMaster 模塊可以模塊的方式，通過總線集成到用戶的數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中，以提供用戶將獲得的數(shù)據(jù)通過該模塊以文件的形式保存在移動存儲器中，以便需要時在 PC 機(jī)中進(jìn)行處理。
      MemMaster在集成到用戶系統(tǒng)中后，表現(xiàn)為用戶系統(tǒng)的一個外部雙端口RAM。用戶系統(tǒng)通過向該外部RAM的指定區(qū)域?qū)懭朊詈拖鄳?yīng)的數(shù)據(jù)，來控制MemMaster模塊的操作，并且從指定區(qū)域讀出響應(yīng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)來獲得MemMaster模塊提供的服務(wù)。通過這樣的方式，雙方實(shí)現(xiàn)協(xié)議交互。
2.2 硬件配置
       MemMaster支持 USB 1.1 標(biāo)準(zhǔn)，最大寫入速率達(dá)100KB/s（與測試環(huán)境有關(guān)），輸入電壓 5V，工作電流 100mA（不包括USB 移動存儲器）。INTR 引腳作為從 RAM 到單片機(jī)的中斷信號，BUSYR 作為 RAM 的工作信號，SEMR 作為同步信號，CER 作為片選信號，其他引腳在此不做詳述。
2.3 接口使用
       MemMaster 通過雙端口 RAM，直接通過總線與用戶的單片機(jī)系統(tǒng)相連。因此，就用戶單片機(jī)系統(tǒng)而言，MemMaster 表現(xiàn)為一個外置的 RAM，而該 RAM 中的部分區(qū)域不能使用、部分區(qū)域被用作協(xié)議命令和數(shù)據(jù)的交互，剩余的部分可以由用戶自行控制使用。在雙端口 RAM 中，區(qū)域分配如下：
0x0000-0xF8F區(qū)域已經(jīng)被系統(tǒng)占用；
0x5F80-0x5FBF共64字節(jié)用于存放系統(tǒng)命令；
0x5FC0-0x5FFF共64字節(jié)用于存放系統(tǒng)響應(yīng)；
0x6000-0xDFFF共32768字節(jié)用于存放數(shù)據(jù)部分；
0xE000-0xFFFD為用戶系統(tǒng)可使用區(qū)域；
0xFFFE-0xFFFF兩個字節(jié)被用作系統(tǒng)協(xié)議交互指示，用戶不可用于數(shù)據(jù)存放。
      用戶系統(tǒng)與 MemMaster 系統(tǒng)的協(xié)議交互命令包括2種類型：Command 和 Response。Command 由用戶系統(tǒng)發(fā)往 MemMaster 系統(tǒng)，而 Response 為相反方向，由 MemMaster 發(fā)往用戶系統(tǒng)。具體的實(shí)施在第四節(jié)中有介紹。
3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)工作原理
      現(xiàn)在，鋼絲繩的應(yīng)用越來越廣泛，為了保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，鋼絲繩探傷檢測儀器也隨之發(fā)展起來。目前，鋼絲繩探傷檢測多以PC機(jī)作為檢測數(shù)據(jù)的接收和存儲器件，但是這樣成本高、攜帶不方便。在此，運(yùn)用MemMaster模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)存儲到移動存儲器就克服了這些缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的性價比。系統(tǒng)的工作原理描述如下：檢測傳感器開始工作時，輸出脈沖信號作為控制電路的同步信號，同時檢測鋼絲繩的三路參數(shù)數(shù)據(jù)（模擬信號）。當(dāng)控制電路獲得同步信號后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，取得轉(zhuǎn)換結(jié)果，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，判斷是否有斷絲發(fā)生，如果有則報(bào)警。同時把數(shù)據(jù)寫入移動存儲器中在控制電路上電時就建好的文件中，以便將來分析處理。
3.2 系統(tǒng)配置
     在此，A/D轉(zhuǎn)化器件采用的是MAX186[3]，MAXl86將8通道模擬開關(guān)、大帶寬跟蹤／保持電路、12位A／D轉(zhuǎn)換器和移位寄存器集成到一片20腳雙列直插芯片上，消除了傳輸誤差，提高了采樣精度和轉(zhuǎn)換精度。它體積小、轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換精度高、功耗低、用5V單電源或 V雙電源供電，模擬輸入可由軟件設(shè)置為單或雙極性和單端或差分兩種輸入轉(zhuǎn)換方式。它的SCLK引腳作為時鐘信號輸入， 作為片選信號輸入，DIN作為串行信號輸入，DOUT作為串行信號輸出。
      在系統(tǒng)上電時，需要創(chuàng)建接收文件，文件的創(chuàng)建時間由DS1302[4]提供。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計(jì)時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，具有主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。它的I/O引腳作為數(shù)據(jù)輸入輸出， 作為復(fù)位信號輸入，SCLK作為時鐘信號輸入。
     單片機(jī)采用的是華邦公司的W78E58B[5]，它是8位單片機(jī)，內(nèi)含32KB Flash／EEPROM，其引腳功能與8051系列單片機(jī)完全兼容。系統(tǒng)連接圖如圖1所示。
4  軟件設(shè)計(jì)
    為了使各部分硬件電路按一定順序進(jìn)行工作，在單片機(jī)的程序存儲器中固化了用C51編寫的應(yīng)用程序，包括系統(tǒng)初始化程序、時間參數(shù)獲取程序、文件創(chuàng)建程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、報(bào)警分析程序、數(shù)據(jù)寫入程序。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將各個功能分成獨(dú)立的模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換程序放在中斷程序中。程序流程圖如圖2所示。
4.1 報(bào)警算法分析
     鋼絲繩斷絲檢測信號為疊加于噪聲背景上的局部區(qū)域的異常信號。為了能夠?qū)嘟z進(jìn)行報(bào)警，首先應(yīng)從檢測信號中將它分離出來。根據(jù)報(bào)警的實(shí)時處理要求，提取斷絲檢測信號的方法應(yīng)簡潔，花費(fèi)的運(yùn)算時間短，占據(jù)的內(nèi)存空間小。下面給出一種峰峰值超限法。
    峰峰值超限法利用局部異常信號波形的峰谷差值特征進(jìn)行斷絲檢測信號的提取。從信號波形來看，檢測信號是由大量的局部波峰和波谷構(gòu)成的，在檢測信號的每一微小的局部均將存在著一個完整的峰谷波形信號。峰峰值定義為某一局部峰谷波形信號的峰值與谷值之差的絕對值，當(dāng)某一局部峰谷波形信號的峰峰值超過門限時，則認(rèn)為是局部異常波形信號。在基于聚磁的鋼絲繩斷絲檢測中，檢測信號波形是一個完整的局部峰谷波形，這是由斷絲斷口漏磁場的分布決定的，且當(dāng)選擇好聚磁器的結(jié)構(gòu)和檢測元件的布置位置時，斷絲檢測信號將是單一的正峰信號，且信號的峰峰值比鄰近的信號波形大得多，因此很容易用峰峰值超限法提取。
     設(shè)vn，n=0，1，2，3，4，為5個連續(xù)的局部極值點(diǎn)，在程序中我們判斷：當(dāng)( (v[1]-v[2])>3*(v[1]-v[0]))&&((v[3]-v[2])>3*(v[3]-v[4]) )&&(v[0]-v[2]>26)&&(v[4]-v[2]>26)時，報(bào)警。
4.2 USB數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計(jì)
    在接口使用中已經(jīng)介紹了用戶系統(tǒng)與MemMaster系統(tǒng)的協(xié)議交互命令包括2種類型：Command和Response，下面就來具體說明一下Command/Response消息。
         Command/Response消息用于在用戶系統(tǒng)或MemMaster系統(tǒng)將要發(fā)出的Command或Response及相應(yīng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，通過對方（MemMaster或用戶系統(tǒng)）Command或Response已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，可以開始執(zhí)行的消息。該消息通過向雙口RAM的0xFFFE或0xFFFF地址寫/讀數(shù)據(jù)來完成。該消息通過中斷方式來實(shí)現(xiàn)，即：對用戶系統(tǒng)而言，當(dāng)向0xFFFE寫入數(shù)據(jù)時，即為通知MemMaster有命令待執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序確定時，說明MemMaster端已經(jīng)完成了命令，并將響應(yīng)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)入下一步操作。這時，從0xFFFF即清除了該中斷。目前系統(tǒng)定義，向0xFFFE寫入和從0xFFFF讀出的值都是0x01。參考代碼如下[6]：
#define DPRAMRInt ((char*)0xFFFF)
#define DPRAMLInt ((char*)0xFFFE)
#define SEND_SYSCMD *DPRAMLInt = 0x01
void service_int1() interrupt 0 /*外部中斷0*/
{
 bRecvResp = *DPRAMRInt;
}
下面給出文件創(chuàng)建函數(shù)來說明用戶系統(tǒng)與MemMaster系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)Command消息傳送的（Response消息類似）。
void CreateFile(unsigned char nm)           /*nm用于判斷文件是否存在*/
{
CreateFileCmdPkg* crCmdPkg;
/* CreateFileCmdPkg為創(chuàng)建命令包，包括創(chuàng)建命令的各個屬性*/
    crCmdPkg=(CreateFileCmdPkg*)Command;
MemSet((char*)crCmdPkg,0,64);
MemSet(crCmdPkg->FileName,0x20,8);
crCmdPkg->CommandCode=SYS_CREATE_FILE;
/* SYS_CREATE_FILE為創(chuàng)建命令碼*/
    crCmdPkg->FileName[0]=’T’;
crCmdPkg->FileName[1]='A'+nm;
/* FileName為文件名*/
 crCmdPkg->ExtensionName[0]='S';
 crCmdPkg->ExtensionName[1]='H';
 crCmdPkg->ExtensionName[2]='J';
    /* ExtensionName為后綴名*/
 crCmdPkg->FileAttr=0x20;
 crCmdPkg->CreateTime[0]=min;
 crCmdPkg->CreateTime[1]=hour;
    /* CreateTime為創(chuàng)建時間*/
 crCmdPkg->CreateDate[0]=date;
 crCmdPkg->CreateDate[1]=year;
    /* CreateDate為創(chuàng)建日期*/
    /* min、hour、date、year是由DS1302提供的數(shù)據(jù)計(jì)算而得*/
 crCmdPkg->Option=0x00;
 bRecvResp = 0;
 SEND_SYSCMD;                             /*發(fā)送Command消息*/
 cs_ram=1;                                /*取消雙口RAM片選*/
 Delayms(10);
 while(!bRecvResp);                       /*判斷雙口RAM是否收到消息*/
 cs_ram=0;                                /*片選*/
}
    5  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
     鋼絲繩檢測系統(tǒng)是通過對被測鋼絲繩進(jìn)行磁化，用敏感元件檢測鋼絲繩斷絲處的泄漏磁場，以此判斷有無斷絲，再通過計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的軟件，對此漏磁場的波形進(jìn)行分析，進(jìn)一步判斷斷絲的數(shù)量，并通過光電編碼器確定相應(yīng)斷絲的位置。在實(shí)驗(yàn)中選取一根 24（6 7）結(jié)構(gòu)的鋼絲繩樣繩，并在指定位置做出斷絲，實(shí)驗(yàn)分兩組，每組50次，用該套系統(tǒng)進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如表1所示。

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    通過表1（負(fù)號表示漏判，正號表示錯判）的分析計(jì)算表明：當(dāng)要求無錯判時（錯檢斷絲根數(shù)為0），斷絲定量準(zhǔn)判率為95%；當(dāng)允許錯判1根時（錯檢斷絲根數(shù)為-1，0，1），斷絲定量準(zhǔn)判率為100%，因此，符合工況要求。同時，報(bào)警系統(tǒng)也對斷絲進(jìn)行了實(shí)時報(bào)警。
6  結(jié)論
   鋼絲繩檢測系統(tǒng)要求的檢測速度為每秒0~2000個數(shù)據(jù)，本套裝置完全可以勝任，同時保證了測量的精度。該裝置可以按指定的格式存入數(shù)據(jù)，并且動態(tài)的檢測移動存儲器中是否有同名的文件，并自動添加文件，可以在無人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)多次檢測，使用起來極為方便。同時，報(bào)警系統(tǒng)可以對斷絲進(jìn)行實(shí)時報(bào)警，方便了實(shí)時處理。
該裝置把USB標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到了鋼絲繩檢測體系中去，適應(yīng)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展潮流，具有攜帶方便、操作快捷、成本低廉、存儲容量大等優(yōu)點(diǎn)，效果良好，應(yīng)用前景廣闊。