基于ARM ＆Windows CE的锚杆无损检测系统软件设计

孙晓云，杨 阳，刘东辉，邸树纲

（1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400030；3.石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北石家庄 050043；4.河北高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066001）

基于ARM ＆Windows CE的锚杆无损检测系统软件设计

孙晓云1，2，3，杨 阳1，刘东辉1，邸树纲4

（1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400030；3.石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北石家庄 050043；4.河北高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066001）

设计了一款基于ARM ＆Windows CE及FFT算法的锚杆无损检测系统，介绍了硬件电路设计方法，包括信号采集模块、A／D转换模块、液晶显示模块、电源模块；在软件设计中，完成了Windows CE操作系统的定制以及应用程序设计，并对设计方法和数据FFT分析方法进行了阐述。

ARM；Windows CE；无损检测；FFT

随着锚杆锚固技术在矿业、建筑业等领域的广泛应用，对锚杆安装质量的检测是工程中需要解决的一个关键问题［1］。目前常用的检测方法为无损检测，且锚杆检测仪多基于8位单片机系统，运行速度缓慢、界面也不美观。针对上述问题，笔者在深入研究ARM技术和Windows CE 5.0操作系统的基础上，设计研发了基于ARM ＆Windows CE的锚杆质量检测仪。该设计充分利用了Windows CE操作系统的多任务性、多线程、实时性等优点，使数据采集后的FFT的数据分析更加快捷，具有体积小、能耗低、操作界面友好等优点。

1 系统结构总体设计

系统整体结构如图1所示。该检测系统包括信号采集与放大模块、A／D转换模块、串行口通信接口电路、USB接口、LCD显示屏等部分组成。信号采集利用的是压电式速度传感器，具有高灵敏度和宽频带等特点，谐振频率为40kHz，接收端使用强磁与锚杆端面固定，并用凡士林等密封耦合使之接触紧密；数模转换芯片精度为18位，时间测量精度为10μs；在核心芯片基础上针对用户和现场需求，显示终端采用液晶显示屏。系统开发板如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 S3C2440A简介

S3C2440A微处理器采用了由Advanced RISC Machines公司设计的16／32位ARM920T的RISC处理器。CPU主频为400MHz，最高达到553MHz。系统时钟源为12MHz无源晶振。S3C2440A支持64MB SDRAM存储和32bit数据总线，SDRAM时钟频率可达100MHz，同时具有16位定时器5个。系统的电源支持为3.3V直流供电。

2.2 信号采集模块

信号采集通过传感器与锚杆平滑的杆头由耦合剂进行密封黏合，用金属锤敲击锚杆杆头进行信号的采集，数据通过A／D转换电路传到ARM芯片处理器中。传感器采用带有强磁性的SD1409型三分量传感器接收测试信号，其谐振频率约为40kHz。SD1409型三分量传感器的电荷灵敏度为3.0pC／ms－2，其频率为0.3～4kHz，且具有3个方向上测振的特点。

2.3 A／D转换模块

本设计采用内部集成的8通道10位A／D模数转换器，转换功能支持片上采样和数据保持，并支持掉电模式，在2.5MHz的A／D转换器时钟下，最大转换速率可达到500Kbit／s。信号采集时，传感器的直径在锚杆直径之内，它的频率响应为10Hz～50kHz，笔者选择的传感器谐振频率为40kHz。采集信号利用开发板自带的音频MIC声卡录入模块将应力波信号载入A／D模块。

2.4 液晶显示模块

由S3C2440A的LCD控制器对液晶显示屏进行控制。该屏支持黑白、256色，分辨率最高可达1 024× 768像素。通过使用液晶屏可以将采集到的信号波形的频率和波速锚杆长度等参数实时显示出来，提供一个直观、友好的显示界面。

2.5 系统电源与复位模块

本系统的电源包括：外围电路电压为5V；S3C2440A内核电压为1.8V；I／O端口电压为3.3V。使用LM1117－1.8V芯片将5V直流稳压电源转化为1.8V供内核使用，使用LM1117－3.3V芯片将5V直流稳压电源转化为3.3V供I／O端口及其他电路使用。系统电源电路、复位电路如图3、图4所示。

3 软件设计

图5 系统软件模块示意图Fig.5 Overall architecture of the software

本软件是一款基于Visual Studio 2008和嵌入式Windows CE平台的手持信号测试程序，实现对传感器接收到的振动进行实时数据采集、波形显示、FFT处理、参数计算、频谱分析等，同时具有数据实时保存功能。系统软件模块示意图如图5所示。

软件具备以下功能。

1）实时采集数据和参数调整。包括采样的启动与结束，对采样点、采样频率等参数的控制。

2）具有方便快捷的用户操作平台。软件能快速的启动和停止，能够与PC机进行通信。

3）具有友好的图形用户界面，包括波形显示和参数设置界面，可以直观地显示波形的变化和各种参数变化后的图形。根据各个界面的功能不同显示的界面也不同。

4）采集数据分析处理及其保存管理。数据的管理主要是将复杂数据包按各种分类分别存储和进行数据的分析处理，主要是FFT计算和特征参数的计算。本系统由于是采集的锚杆振动应力波信号，要对这些振动信号进行有效分析、特征提取等操作，需要对其进行时域和频域上的相关分析。

软件开发平台采用Visual Studio 2008编程环境。图形显示程序包括时域波形显示、频域波形显示，虽然函数和计算方法不同，但都是利用Visual Studio 2008提供的集成编译环境的VB.NET［2］。

系统定制界面如图6所示。

在Windows CE平台上进行图形绘制，需要各种图形绘制工具。Graphics是System.Drawing命名空间中的一个很重要的核心绘图类，这个类提供绘制图形所需的各种相关方法［3］。软件界面如图7所示。

4 FFT信号分析

傅里叶变换方法作为经典的信号分析方法，在数字信号处理领域得到了广泛的应用。快速傅里叶变换（FFT）是离散傅里叶变换（DFT）的一种快速算法。基于FFT的信号捕获方法就是利用蝶形因子的周期性等相关特性代替大量复杂的复数运算［4－5］。因此，在捕获方法的选择过程中，FFT运算处理起到了至关重要的作用，提高FFT的运算速度，减少运算量，对于提高信号捕获速度存在直接影响。在本软件设计过程中利用基于FFT［6］时间抽取算法对采集的信号进行1 024点的快速傅里叶变换如图8所示。

图8 分析截图FFTFig.8 Screenshots of FFT analysis

5 结 语

与传统的锚杆有损检测方法相比，基于ARM的锚杆无损检测设备在体积上具有很大优势，集成度高，功能强大，利用Visual Studio 2008开发的程序在Windows CE环境中运行流畅，集信号采集、数据分析和波形显示于一体，具有运算速度快、存储空间大的优点，且利用FFT分析方法，使得采集信号的提取速度和噪音滤除都能达到实时运算、即时得出结果的水平。

［1］ 张永兴，陈建功.缺陷锚杆振动问题的数学模型及其求解［J］.地下空间与工程学报（Chinese Journal Underground Space and Engineering），2005，1（1）：63－64.

［2］ STEPHENS R.Visual Basic 2008编程参考手册［M］.徐燕华译.北京：清华大学出版社，2009.

［3］ 杨 宁，王立德，王苏敬，等.基于ARM ＆WinCE车载显示终端的开发［J］.机车电传动（Electric Drive for Locomotive），2010（1）：45－48.

［4］ 赵 琳，高帅和，丁继成.基于FFT的高动态GPS信号捕获方法优化［J］.系统工程与电子技术（Journal of Systems Engineering and Electronics），2011，33（1）：32－39.

［5］ 吴向葵，王宏远.基于FFT的便携式频谱监测仪的研制［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［6］ 王晓君，陈 禾，罗跃东.一种EW接收机信号处理系统的设计与实现方法［J］.河北科技大学学报（Journal of Hebei University of Science and Technology），2007，28（1）：144－146.

Software design of non－destructive detecting of rockbolts based on ARM ＆Windows CE

SUN Xiao－yun1，2，3，YANG Yang1，LIU Dong－hui1，DI Shu－gang4
（1.College of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Control Engineering of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400030，China；3.College of Electrical and Electronics Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China；4.Jing Qin Highway Management Office，Hebei Highway，Qinhuangdao Hebei 066001，China）

Rockbolt non－destructive detecting system is designed based on ARM，Windows CE operating system and FFT.In hardware design，the signal acquisition module，A／D conversion module，LCD module and the power module are introduced respectively.In software design，the Windows CE operating system is customized and the program is designed.FFT and the design method are introduced.

ARM；Windows CE；non－destructive detecting；FFT

TM93

A

1008－1542（2012）03－0244－04

2011－10－11；责任编辑：李 穆

国家自然科学基金资助项目（50874035）

孙晓云（1971－），女，河北石家庄人，教授，博士，主要从事无损检测和智能信息处理技术方面的研究。