基于STM32的钢丝绳缺陷定量检测系统设计

钟小勇，刘志辉，张小红

（江西理工大学 理学院，赣州341000）

钢丝绳是由多股钢丝螺旋型捻制而成的承载构件。随着社会经济的快速发展，矿山、港口、建筑及其它相关行业的起重设备日趋大型化，所需钢丝绳数量、种类越来越多，其结构越趋复杂。钢丝绳多数处于相对恶劣的运行环境之中，自然侵蚀情况严重，是典型和共性危险源与隐患所在地[1-2]。

针对钢丝绳缺陷检测的状况，本文提出了一种以STM32 处理器为核心的智能检测系统。系统能够检测记录缺陷的位置、缺陷的数量或缺陷的严重程度，并实时发出声光警示。该系统既可独立地对钢丝绳实施检测， 又可将数据送至上位机进一步处理，实现保存、对比、查阅等功能。系统智能化程度较高，并便于安装使用，能够较好地满足钢丝绳检测的需求。

1 系统总体结构

钢丝绳缺陷定量检测系统由传感器、信号放大滤波调理电路、A/D 转换、STM32 处理器系统、 存储器系统、人机交互系统以及计算机通信接口电路等组成。钢丝绳定量检测系统结构框图如图1所示。

图1 定量检测系统结构框图Fig.1 Block diagram of quantitative detection system

系统硬件主要包括以下几个部分：

漏磁信号检测漏磁信号检测部分由传感器、信号放大及滤波电路构成。传感器检测缺陷漏磁场信息，经信号调理电路放大、滤波处理，满足后续A/D转换电路对信号幅度的要求。

A/D 转换A/D 部分将模拟信号转换为数字信号，供STM32 分析、处理。

STM32 处理器检测系统采用嵌入式STM32F407处理器， 该处理器控制钢丝绳漏磁信号的数据采集、命令及参数的输入、检测波形及结果的输出，同时该处理器完成漏磁信号的数据处理及预处理、数据分析、数据存储及与上位机通信等工作任务。

人机交互输入采用薄膜按键输入，用于输入命令及检测的参数。

人机交互输出采用LCD 显示器，用于显示检测波形以及最终结果。

数据存储采用Flash 及SRAM 存储器芯片，将检测的相关数据进行保存。

计算机通信通过USB 接口电路将检测的相关数据传送至上位机中。

2 系统硬件电路设计

2.1 漏磁信号的拾取

钢丝绳是由铁质材料制作而成的承载构件，其磁导率远高于非铁质的物质。利用由稀土永磁体组成的励磁装置对钢丝绳进行磁化至饱和状态[3]。如果钢丝绳上没有缺陷，磁力线通过钢丝绳及励磁装置构成回路，并均匀通过钢丝绳；如果钢丝绳上存在缺陷，则缺陷周围会有漏磁场产生[4-5]。通过磁敏元件检测钢丝绳周围漏磁场并转化为电压信号，供后续电路分析。漏磁信号拾取的原理参见图2，其中的漏磁场的强弱与缺陷大小、缺陷造成的铁质损失量相关[6]。

图2 漏磁信号的拾取原理Fig.2 Principle of magnetic flux leakage signal pickup

磁敏元件的类型较多，其中性能比较突出的有HALL 元件，具有结构尺寸较小、灵敏度较高、输出信号不受检测速度影响等优点。HALL 元件输出电压可表示为

上式中，在一定条件下为固定的常数。另外，在集成HALL 元件中，内部一般包括了恒流源，只需提供HALL 元件电源电压在一定的范围之内， 电流I就能保持恒定。这样，霍尔元件的输出电压V 正比于磁通密度B，通过测量霍尔元件的输出电压V 能得出磁场大小，并且与传感器相对钢丝绳之间的检测速度无关。检测速度的变化如晃动也不会影响霍尔元件的输出电压。

由于单片HALL 元件的检测范围有限，不足以覆盖钢丝绳整个圆周360°的检测范围，因此，必须采用多片HALL 元件组合进行检测。本系统采用16片、 灵敏度为5 mV/G 的HALL 元件G1321 组成一个圆周检测环，均匀分布于钢丝绳周向360°，采集钢丝绳周围的漏磁场。

2.2 信号调理电路

信号调理电路包括前置阻容耦合、信号放大器和用于抑制高频干扰的低通滤波器。钢丝绳缺陷产生的漏磁场往往比较弱小[7]，对应霍尔元件的输出缺陷信号电压为几十个毫伏。用一级信号放大器和一级低通滤波器将信号放大至0～3.3 V，并降低外界噪声干扰。系统采用的低通滤波器为二阶有源低通滤波器，其电路如图3所示。二阶有源低通滤波器的截止频率为

2.3 存储器接口电路

图3 低通滤波器电路Fig.3 Low pass filter circuit

系统扩展了一片SRAM 和一片Flash， 存储器接口电路见图4。SRAM IS62WV51216 的存储容量为1 MB， 用于存储钢丝绳漏磁信号的检测数据，以16 位方式连接在FSMC 存储块第2 区， 片选信号FSMC_NE2， 读写配置使用同一个时序寄存器。Flash 24C08 的存储容量为1 kB，通过I2C 总线连接STM32F407， 用于存储一些掉电不能丢失的重要数据，如钢丝绳不同规格对应的原始数据等。

图4 存储器接口电路Fig.4 Memory interface circuit

2.4 STM32F407 最小系统

STM32F407 最小系统由电源电路、 复位电路、JTAG 接口、外接的晶体振荡电路等组成，如图5所示。STM32 芯片的供电电压为2.0～3.6 V，系统设置了2 种供电方式。第一种方式是外接DC 9 V 电源，经MP2359 稳压至DC 5 V； 第二种方式是直接用USB 的DC 5 V 输出电压供电。DC 5 V 经AMS117降压至3.3 V，接到STM32F407 芯片，STM32 内部自带电压调整器，从DC 3.3 V 调整至1.8 V，供Cortex-M4 核作为工作电压。系统外接8 MHz 晶振，经STM32F407 芯片内部的PLL（锁相环）稳定至168 MHz，作为Cortex-M4 核的系统时钟。

图5 STM32F407 最小系统Fig.5 STM32F407 minimum system

2.5 USB 接口电路

本系统可通过USB 接口电路与上位机通信，USB 接口电路参见图6。

图6 USB 接口电路Fig.6 USB interface circuit

在初始化程序中，将STM32F407 的PA9、PA10分别设置为USART1_RX、USART1_TX 功能； 在接口电路中将PA9、PA10 分别接至CH340 芯片的TXD、RXD 引脚，经CH340 芯片，转USB 接口。

3 系统软件设计

系统主要功能是按照钢丝绳规格，以一定的间隔等距离采集钢丝绳周围的漏磁信号，根据采集的数据定量识别钢丝绳缺陷，在LCD 显示结果或通过串口发送至上位机。本系统软件开发主要在Keil uVision 5 集成环境下，利用STM32F4 固件库，采用C 语言编写相关程序。软件主要包括系统初始化、A/D 采集、STM32 数据分析处理、 数据传输等模块。系统主程序及A/D 转换中断流程如图7所示。

图7 软件流程Fig.7 Flow chart of software

在程序设计过程中， 钢丝绳缺陷定量识别是关键点。通过大量的实验积累不同规格钢丝绳、不同类型缺陷的特征量，保存在Flash 存储器中，作为标准模块来判断钢丝绳的完好程度。在线检测之前，利用友好的人机界面输入钢丝绳规格，再进行自动识别。

4 测试结果与分析

在钢丝绳缺陷检测系统测试实验中，使用的是一根规格为Φ28 mm，6×19 的钢丝绳。在这根钢丝绳不同位置上有5 处缺陷，每处缺陷有1～5 根断丝不等，断丝分布在周向不同的角度。用设计的缺陷检测系统对这根钢丝绳进行100 次测试，具体测试结果见表1。

从表1中可以看出， 当要求缺陷无误判时，定量准确率≥92%；当允许断丝误差为1 根时，定量准确率≥96%。同一钢丝绳截面不同断丝相隔π/4 角度时，该系统能正确分辨。为便于查看确认，系统检测到钢丝绳缺陷时，有实时声光报警。

表1 钢丝绳缺陷检测数据Tab.1 Testing data of the steel wire rope’s fault

5 结语

本文利用磁电效应方式，以STM32F407 处理器为核心，设计了钢丝绳定量检测系统。试验表明，该系统能正确地判断识别钢丝绳上的缺陷。由于励磁装置磁力线能够穿透各种非铁质类的物质，该系统使用前无需对钢丝绳进行清洁处理，适合钢丝绳表面加了润滑或油性保护层的工矿等企业使用。

第三届世界智能大会在天津开幕

第三届世界智能大会2019年5月16日在天津开幕。在为期4 天的会期内，大会将在“智能新时代：进展、策略和机遇”的主题下，探讨智能科技带来的新发展和新机遇。据了解，本届大会共245 家智能科技领域的单位和企业参展，包括中国科学院、国家超算中心等27 家研究机构，华为、中车集团等38 家世界500 强企业以及60 家国内500 强企业，将在大会期间围绕智能技术应用、立法、伦理、人才培养等展开讨论。

此外，大会还拟定举办15 场高峰论坛，世界智能驾驶挑战赛、中国华录杯开放数据创新应用大赛、中国（天津）工业APP 创新应用大赛、世界智能水下机器人挑战赛等赛事也将同期举办。

来源：经济日报