基于C8051F005微控制器的智能鋼絲繩無損檢測裝置的設(shè)計(jì)

　　鋼絲繩在使用過程中容易出現(xiàn)斷絲、，磨損、銹蝕、局部形狀異常、繩徑縮細(xì)等缺陷，導(dǎo)致鋼絲繩強(qiáng)度下降甚至失效，易引發(fā)事故。為實(shí)現(xiàn)鋼絲繩檢測裝置的小型化和智能化，針對人眼檢測鋼絲繩的缺陷，本文設(shè)計(jì)了以C8051F005微控制器為核心，輔助單片機(jī)外圍接口器件的便攜式智能鋼絲繩無損檢測裝置。該檢測裝置操作簡單、功能全面，既可對鋼絲繩進(jìn)行在線檢測，并將數(shù)據(jù)采集的過程與結(jié)果通過液晶顯示器顯示，又可通過USB接口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行處理。

　　1．C8051F系列單片機(jī)簡介

　　SILIConLabs公司的C8051F系列單片機(jī)為完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，即在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。它采用CIP-51微控制器內(nèi)核，與目前常用的51系列單片機(jī)MCS-51指令集完全兼容。CIP-51微控制器內(nèi)核在提升指令運(yùn)行速度上采取了新的途徑，即設(shè)法在保持RISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)。C8051F單片機(jī)系列已進(jìn)入了8位高速單片機(jī)行列，與8051相比，在相同時(shí)鐘下，單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍，全指令集平均運(yùn)行速度為原來的9.5倍。C8051F005是C8051F單片機(jī)系列中功能較全的一款，具有以下特點(diǎn)：

　　①速度快：高達(dá)25MIPS的速度，比標(biāo)準(zhǔn)8051快20倍以上。

　?、趶?qiáng)大的控制功能：具有32位I/O口線，所有I/O口可以編程為弱上拉或推挽輸出：具有獨(dú)特的數(shù)字開關(guān)陣列，可以將內(nèi)部系統(tǒng)資源定向到PO、P1和P2口。

　　③多達(dá)21個(gè)中斷源：為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。④可靠的安全機(jī)制：有7種復(fù)位源，使系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性大大提高：利用JTAG口編程加密芯片，可以絕對保護(hù)用戶的知識產(chǎn)權(quán)。

　?、輳?qiáng)大的模擬信號處理能力：具有8路12位ADC(速度為100ks/s)、兩路12位精度的DAC、兩路模擬比較器、高精度基準(zhǔn)電源、程控放大器和溫度傳感器。

　?、尴冗M(jìn)的JTAG調(diào)試功能：支持在線系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，不占任何片內(nèi)資源。

　　2．硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)中檢測裝置主要由前端傳感器、微處理器、液晶顯示器、報(bào)警裝置和USB接口等組成，原理框圖如下圖所示。

　　前端傳感器應(yīng)用漏磁通法將鋼絲繩局部缺陷的異常信號通過漏磁場強(qiáng)度反映，應(yīng)用磁橋路法將鋼絲繩金屬截面積的磨損信號直接反映在磁橋路的磁場強(qiáng)度變化上，從而檢測鋼絲繩的LF(LOCalizedFault)型缺陷和LMF(LosSOFMetallicArea)型缺陷。檢測元件采用高靈敏線性集成霍爾元件，獲得的檢測信號具有與速度無關(guān)的特性，然后將檢測信號輸入到C8051F005微控制器內(nèi)置的12位ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　液晶顯示器RT12864M為128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，具有等光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等多種功能。液晶顯示器和鍵盤為用戶提供人機(jī)接口界面，用戶可通過該界面了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，進(jìn)行必要的人工干預(yù)。

　　USB接口芯片采用PHILIPS公司的PDIUSBD12性價(jià)比較高的USB器件，可使設(shè)計(jì)者選擇最合適的微控制器，減少開發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)及費(fèi)用，以最實(shí)用快捷的方法實(shí)現(xiàn)最為經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的方案。USB接口的主要功能是將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，使用戶可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理或者作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行打印、保存等。

　　報(bào)警裝置在鋼絲繩缺陷嚴(yán)重處實(shí)施報(bào)警，用戶可通過軟件編程進(jìn)行設(shè)置。

　　檢測裝置電路原理圖如下圖所示。

　　3．軟件設(shè)計(jì)

在已有的硬件平臺的基礎(chǔ)上，可以將軟件程序按功能模塊劃分初始化模塊、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊和USB通信模塊等部分，各部分模塊功能如下：初始化模塊完成對所需參數(shù)初始化工作，包括對單片機(jī)和外圍芯片的初始化配置。

　　采樣模塊包括使用單片機(jī)自帶的ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的程序和數(shù)字濾波程序。

　　數(shù)據(jù)處理模塊按照一定的算法計(jì)算采樣值，然后與用戶輸入的鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，即得出鋼絲繩損傷程度。

　　液晶顯示模塊通過對其命令字中寫入命令字節(jié)，進(jìn)行開顯示、改變顯示起始行、設(shè)置顯示頁和顯示列等操作；通過查詢狀態(tài)字了解顯示器的工作狀態(tài)；通過向各個(gè)顯示RAM中寫入不同的數(shù)據(jù)字節(jié)實(shí)現(xiàn)不同的圖形或漢字的顯示，從而為用戶提供友好的界面。

　　USB通信模塊按照USBl.1規(guī)范的要求與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)高速回放到計(jì)算機(jī)中，形成原始數(shù)據(jù)文件。用戶可以對其進(jìn)行二次處理和分析。

　　各部分模塊之間的關(guān)系如下圖所示。

　　軟件程序采用單片機(jī)高級語言C51編程，軟件程序流程圖如下圖所示。

　　單片機(jī)C8051F005具有JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口可以對安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的單片機(jī)進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧指示器及單步執(zhí)行。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。對于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用來說，該系統(tǒng)的調(diào)試功能比采用標(biāo)準(zhǔn)MCU仿真器要優(yōu)越得多。

　　4．系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

　　由于檢測裝置采用電磁無損檢測技術(shù)，在工作過程中受電磁干擾的影響很大。電磁干擾是電子系統(tǒng)輻射的寄生電能，這種寄生電能可能在附近的其它信號通道或系統(tǒng)上影響綜合布線系統(tǒng)的正常工作，使波形圖像扭曲變形、程序運(yùn)行失常、控制信號誤動作等。為保證檢測儀的精度和可靠性，系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)是不可缺少的。設(shè)計(jì)中可以從硬件和軟件兩方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。硬件方面，被測鋼絲繩必須磁化到深度飽和狀態(tài)，盡量減小傳感器磁性銜鐵間的空氣間隙：霍爾元件的信號傳輸為弱信號、長距離傳輸，檢測系統(tǒng)的傳輸線采用雙絞線，能有效抑制各種干擾信號；PCB印刷電路板的合理設(shè)計(jì)也是整個(gè)系統(tǒng)抗干擾性能的重要因素。軟件方面，應(yīng)用看門狗WDT技術(shù)可以使系統(tǒng)從瞬間的故障中得以恢復(fù)；還可對剩余ROM空間的數(shù)據(jù)填充、堆棧指針的重復(fù)設(shè)置等方法提高軟件設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

　　5．結(jié)語

　　本文采用的8位高速單片機(jī)C8051F為控制核心設(shè)計(jì)的鋼絲繩無損檢測裝置成功地實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化，檢測多以軟件實(shí)現(xiàn)，便于檢測系統(tǒng)的技術(shù)更新，實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化處理，同時(shí)檢測系統(tǒng)還可作為便攜式儀器完全脫離PC機(jī)實(shí)現(xiàn)在線現(xiàn)場檢測，也可以通過USB通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行信號存儲與再分析。該檢測裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。