（微电子学与固体电子学专业论文）便携式钢丝绳无损检测仪设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 钢丝绳作为牵引、承载的重要部件，它们的状态直接关系到设备的安全，一旦发 生断裂，后果将是严重的。但是，目前的钢丝绳检测系统还存在很大不足：基于单片 机的检测系统不能与p c 机通信，从而不能充分发挥p c 机的强大浮点数据处理能力来 研究钢丝绳的缺陷分析算法；而基于p c 机的检测仪器又过分依赖于p c 机，不利于做 成便携式仪器在现场检测。因此，本文提出了一种以a r m 7 处理器为核心的便携式 检测仪的设计方案。 本文首先简单介绍了钢丝绳无损检测的基本原理和方法，以及当前嵌入式微处理 器的发展状况和应用前景，结合钢丝绳无损检测的实际需要，提出了采用a r m 7 芯片 为核心的检测系统，该系统既可单独实施检测，又可与上位p c 机通信，具有低功耗、 高精度、便于携带等优点。 接着，根据钢丝绳漏磁检测的原理，本文介绍了系统总体功能和设计方案。研究 了几种在漏磁检测中常用的磁传感器，结合钢丝绳无损检测的特点，选用t h o n e y w e l l 的磁阻传感器h m c l 0 2 2 。系统的核心采用三星公司生产的a r m 7 t d m i 内核的 s 3 c 4 4 b o x 芯片，同时选择u s b n 9 6 0 4 芯片设计t s 3 c 4 4 b o x 与p c 机的u s b 接口。 在后续的章节中，本文详细介绍了系统的硬件和软件的设计与实现。其中硬件电 路主要包括漏磁检测电路、s 3 c 4 4 8 0 x 外围电路、l c d 显示年n u s b 接口等。在完成了 硬件设计的基础上，整个系统的控制程序主要包括a r m 的配置、液晶显示和u s b 固件。 并且，针对钢丝绳断丝信号的特点和检测系统的要求，设计了断丝信号处理程序，包 括信号的预处理，检测信号提取和断丝判别，具有运算简单，处理速度快，适于实时 处理等特点。 最后，总结了本课题研究所取得的成果和不足之处，提出了课题进一步深入研究 的展望。 关键词：钢丝绳 无损检测漏磁磁阻传感器a r m 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t sf o rt r a c t i o na n db e a r i n gt h ew e i g h t ，t h es t a t eo ft h ew i r e r o p e sh a sd i r e c tr e l a t i o nt ot h es a f e t yo fe q u i p m e n t s b u t ，c u r r e n tt e s t i n gs y s t e mf o rw i r e r o p e sh a sm a n ys h o r t c o m i n g t h es y s t e mb a s e do nm c u c a l ln o tc o m m u n i c a t ew i t h p c a n dt h es y s t e mb a s e do np ci si n c o n v e n i e n tf o rt a k i n g t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dan e ws c h e m ef o rw i r er o p e st e s t i n g ，w h i c hu s et h ea r m 7m i c r o p r o c e s s o ra st h e c o r e f i r s t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eb a s i c p r i n c i p l e a n dm e t h o di nw i r er o p e s n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，a n d t h e d e v e l o p m e n t a n d f o r e g r o u n d o fe m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r w i t ht h en e e do fw i r er o p e sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，w es e l e c tt h ea r m 7 c h i pa ss y s t e mp r i n c i p a lp a r t l a t e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h ew h o l ef u n c t i o na n dd e s i g nb l u ep r i n to ft h es y s t e m a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r er o p e sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，w es e l e c t t h e m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o rh m c l 0 2 2 t h es y s t e mu s es 3 c 4 4 b o xa sc o r e a n dw ed e s i g na u s bi n t e r f a c ef o rt h es y s t e mw i t hu s b n 9 6 0 4 i nt h ef o l l o w , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i l t h e h a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d em a g n e t i cl e a k a g et e s t i n gc i r c u i t ，s 3 c 4 4 b o xp e r i p h e r a l c i r c u i t l c dc o n n e c t i o nc i r c u i ta n du s bi n t e r f a c ec i r c u i t a n dt h es o f t w a r ei n c l u d et h e c o n f i gp r o g r a mo fa r m ，l c dd r i v e rp r o g r a m , t h ef i r m w a r eo fu s ba n dt h eb r o k e nw i r e s s i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a m f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew o r ka n di n t r o d u c e st h ep r o s p e c to ft h es y s t e mi n t h ef u t u r e k e y w o r d s ： w i r er o p e s n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g m a g n e t i cl e a k a g e m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r a r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文卞己标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：。王j 十h 虫 2 0 0 6 年占月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：王稍条k指导教师签名 2 0s 侔f 月暑日莎口玎年f 月 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的目的与意义 1 绪论 钢丝绳是一种应用广泛的牵引、承载构件，广泛地应用于交通运输、冶金、采矿、 建筑等行业。在使用过程中，它们的状态直接关系到设备的安全。旦发生断裂，后 果将是严重的。因此，对钢丝绳进行监测是十分必要的。但是，目前的钢丝绳检测系 统还存在很大不足。 从2 0 世纪6 0 年代开始，钢丝绳无损检测技术进入了系统研究阶段，各国学者全面 研究了励磁装置、检测装置和缺陷特征，取得了系列的成果，使得电磁无损检测技 术日益成熟，并形成了相应的检测仪器，同期，我国也开发出第一代t g s 型钢丝绳探 伤仪。这一系统研究阶段，重点是研究能够取得稳定、可靠、明显的钢丝绳缺陷信息 的检测方法和装置。测取的信号是模拟信号，采用笔试记录仪或磁带机记录，检测信 号的解释主要依靠人工进行，所研制的仪器的精度和智能化程度都不高。从8 0 年代开 始，华中理工大学的杨叔子等人开始重点研究了钢丝绳断丝的定量检测，他们用永磁 铁将钢丝绳磁化至饱和，用霍尔元件采集漏磁信号，用码盘控制采用间距，用计算机 或单片机处理数据，研制成功了g d j y 、m t c 等系列探伤仪。在1 9 9 2 年，洛阳涧西矿 冶机电研究所成功研制了g ) ( t 型断丝检测装置。探伤仪由充磁机、探头和微电脑组成， 将直流充磁机卡在被检钢丝绳上对钢丝绳进行磁化，将探头卡在钢丝绳上，用屏蔽电 缆将探头与微电脑连接，将断丝信号输出到微机经处理后打印出结果【卜。】。后来，国 内又陆续出现了相类似的探伤仪。 现有的钢丝绳无损检测系统的自动化程度一般都不高，基本上是机器与人工组合 的方式来完成缺陷的检测工作，基于单片机的检测系统不能与p c 机通信，从而不能 充分发挥p c 机的强大浮点数据处理能力来研究钢丝绳的缺陷分析算法，而且功能单 一，不便于操作。而基于p c 机的检测仪器又过分依赖于p c 机，般采用的是待检 华中科技大学硕士学位论文 测钢丝绳、传感器、a d 数据采集卡、p c 机这样的组成模式，造成了检测现场仪器 众多、连接复杂的局面，从而使检测系统的可靠性和稳定性难以得到保证。因此，这 类仪器的成本较高，使用复杂，不利于普及。而且，在很多大型工矿企业中存在很多 固定检测点，且分布广，数量多，如果使用p c 机的话，不仅从经济上考虑不合算， 而且对于某些检测点，难以将之与p c 机相连。此外，钢丝绳检测的环境比较复杂。 在矿井、工地等场所进行检测时，周围环境恶劣，对检测系统的可靠性要求较高，普 通p c 机无法满足环境要求。 所以，以嵌入式微处理器为核心研制的便携式钢丝绳缺陷检测仪可以使用尽可能 精简的硬件结构和分析算法，使检测仪器以较低的成本和简单的结构实现钢丝绳的无 损检测。具有体积小、成本低、易于产品化、可靠性高、易扩展及方便实现多机分布 式并行处理等特点，可以实时快速地实现钢丝绳缺陷信号的检测。因此，研究一套便携 式钢丝绳检测仪是具有很大研究意义和实用价值的。 1 2 漏磁检测原理与方法 钢丝绳的检测，可以采用破损检测法和无损检测法 4 , 5 1 。破损检测法是通过对钢 丝绳进行静态拉断试验和动态疲劳试验来确定钢丝绳的强度损耗和残余使用寿命。使 用破损检测法存在很大局限性，它很难了解整根钢丝绳的全貌。因为在役钢丝绳不允 许随意地截取样本用于测试，通常是在钢丝绳的绳头或者绳尾截取，但此处的钢丝绳 不能够反映钢丝绳上最薄弱的环节或全貌。而无损检测法在不改变钢丝绳状态和使用 性能的前提下，直接对使用中的钢丝绳进行检测，因此，具有更大的合理性和应用范 围。 目前，国内外已经提出了很多适于钢丝绳无损检测的方法，其中具有代表性的有 如下几种睁9 ： ( 1 ) 声学检测法： ( 2 ) 机械检测法： ( 3 ) 射线检测法； 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 电流检测法： ( 5 ) 光学检测法； ( 6 ) 电涡流检测法： ( 7 ) 超声波检测法； ( 8 ) 振动检测法； ( 9 ) 声发射检测法； ( 1 0 ) 磁检测法。 在上述的方法中，磁检测法是目前公认最为可靠的钢丝绳检测方法1 0 1 。钢丝绳绝 大多数采用导磁性能良好的高碳钢制成，很适于利用电磁检测法进行检测。同时，磁 检测法具有成本低，易于实现等优点，因此目前实用的钢丝绳无损检测仪器基本上都 是基于磁检测原理的。 磁检测的原理是基于铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率至少大1 0 0 倍这个特性 而得到的。当用一磁场作用于检测对象，并采用合适的磁路将磁场集中的这一材料中 时，一旦遇到材料表面出现裂纹等缺陷时，由于材料局部磁导率的降低，一部分磁场 将会从材料中外泄出来，这一外泄的漏磁场可以被传感器检测，从而发现材料的缺陷。 磁 图i - 1 钢丝绳漏磁检测原理 钢丝绳所用的材料一般是优质碳合金钢，容易被磁化，当钢丝绳被磁化至饱和后 由于缺陷处的磁导率和无缺陷处的磁导率不同，因此在缺陷处出现了漏磁场。钢丝绳 的电磁无损检测正是基于这特点，利用磁敏感元件感应漏磁场的分布情况来获得有 华中科技大学硕士学位论文 关缺陷状态的信息，如图l 一1 所示。 基于磁检测法的钢丝绳无损检测仪一般由两部分组成，其一是对钢丝绳进行磁化 的励磁器，其二是对漏磁场进行测量的传感器。对钢丝绳的磁化，通常采用两种方式： 一种方式采用交流磁场磁化，另一种方式是直流磁场磁化 1 1 l 。由于集肤效应的缺陷， 交流磁化的的磁力线将集中于被测钢丝绳的表面，因而只能检测钢丝绳的表面缺陷， 目前己被淘汰。直流励磁法根据采用的直流励磁源不同，分为直流有源励磁和永磁励 磁两种，且均可采用多种不同的结构方式实现。其中，有源威磁方式必须配以高稳定、 大电流的直流电源，且为防止钢丝绳结构及励磁磁路变动的影响，通常采用很强的磁 化能力磁化钢丝绳，从而使得励磁器在体积和重量上都急剧增加。而永磁励磁使用无 源的永磁铁工作，磁路的稳定性能好，并且随着高性能磁性材料的产生，永磁励磁可 以采用很小的结构、很轻的重量满足钢丝绳磁化的要求。因此，基于永磁励磁的钢丝 绳检测仪在体积和重量上都远小于采用有源励磁的检测仪，从而被广泛采用u 2 l 。 对于磁场的测量，根据磁场信号的强弱，可采用感应线圈、霍尔效应元件、磁敏 二极管三极管、磁通门、磁阻、磁核共振等方法【b 】。钢丝绳缺陷产生的漏磁场强度一 般在1m t 1 0m t 之间，因此，上述各种检测方法中，除了磁核共振法太昂贵难以实 现外，其它方法均可采用。就目前应用的情况而言，考虑到使用的经济性和实用性， 通常采用霍尔元件和磁通门检测磁场信号【1 4 一”。 1 3 嵌入式微处理器的发展与应用 近年来，随着微电子技术的不断发展，集成了c p u 、存储器、定时器，计数器、并 行和串行接口、a d 和d a 转换器甚至l c d 控制器等电路在一块芯片上的超大规模 集成电路芯片已经发展得比较成熟了，微处理器的性能得到了很大的提高，特别是针 对高性能、低成本的实际应用场合，采用基于嵌入式的d s p 或者1 6 3 2 位微处理器的 嵌入式系统可以实现很多功能，而且性价比较高。因此，以高性能的微处理器为核心， 开发多功能、高精度、智能化、集成化的检测系统是钢丝绳无损检测的重要发展方向。 各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的最核心的部分。目前，世界上具有 华中科技大学硕士学位论文 嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u ，m p u 等3 0 多个 系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都开始大规模生产嵌入式 处理器，并且公司自主设计处理器也已经成了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单 片机、d s p 至i j f p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越 低。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类1 1 8 2 0 ： ( 1 ) 微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大 特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目 前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。因 此称为微控制器。 ( 2 ) 9 s p 处理器( d 诤t a 】s i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进 行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 、频谱分析 等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 ( 3 ) 嵌入式微处理器( m i c mp r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上 的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功 能部分。这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机 相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。 ( 4 ) 片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热 门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入 操作系统的代码模块。而目_ s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬 件描述语言，实现一个复杂的系统。 1 4 本文的主要研究工作 华中科技大学硕士学位论文 近几年，钢丝绳无损检测技术日益受到重视，各国学者在实际中逐步推广应用电 磁检测技术的同时，还在深入研究电磁检测技术在工程应用中所遇到的各种实际问 题，寻找解决的办法。这些问题主要集中在：缺陷定量检测精度问题，仪器可靠性问 题，仪器多功能问题，仪器操作简化及智能化问题，基于检测结果如何对钢丝绳状态 评估问题等。 所以，针对钢丝绳缺陷在线检测装置应用的需求，本文提出了一种以a r m 7 处理 器为核心，扩展液晶显示，大容量存储芯片和u s b 通信接口的便携式检测系统，该 系统既可单独实施检测，又可与上位p c 机通信，具有低功耗、高精度、便于携带等 优点。本文各章包括的内容如下： ( 1 ) 第一章绪论部分，指出了现有钢丝绳检测系统存在的问题，介绍了漏磁检测 的原理和嵌入式处理器的发展状况，提出了本文的研究内容： ( 2 ) 第二章介绍了整个系统的功能，提出了使用磁阻传感器、a r m 处理器和u s b 接口的方案，并阐述了确定方案的理由： ( 3 ) 第三章介绍了系统关键部分的硬件设计，包括漏磁检测电路、存储器、a d 转换、键盘和液晶显示和u s b 接口； ( 4 ) 第四章介绍了系统的软件设计，主要有系统初始化、液晶显示、u s b 固件、 信号处理，并给出了整个系统软件的流程； ( 5 ) 第五章总结了取得的成果及不足，提出了进一步研究的展望。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 系统总体功能 2 系统方案设计 本系统利用磁传感器检测钢丝绳漏磁信号，经滤波、放大等信号预处理电路，送 到a d 采集模块，然后经微处理器处理分析，并在液晶显示屏上实时显示出检测到的 漏磁信号波形，检测结束后将检测结果显示出来。系统的硬件结构如图2 - l 所示： 图2 - 1基于a r m 处理器的硬件结构框图 整个系统主要包括以下几个部分： ( 1 ) 信号检测：信号检测部分由磁传感器、放大电路及滤波电路构成。传感器 检测缺陷漏磁场信息，经信号预处理后，e n a d 转换将信号数字化，以供a r m 处理。 ( 2 ) a r i d 转换：a d 转换部分通过定时中断进行数据的采集，采样频率由系统的具 体参数来决定，使系统内部程序对于不同环境不需要大的改动。 ( 3 ) 系统输入：采用键盘输入，控制界面会提示输入必要的参数来进行系统的设 定。 ( 4 ) 系统输出：本系统中采用的是液晶显示器，可以实时显示检测波形和检测 结果。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) a r m 处理器：系统的微处理器采用的是a r m 处理器，系统的输入输出设备及 数据的采集等都由a r m 处理器来控制擞据的处理、分析等都i 妇a r m 处理器来完成。 ( 6 ) 数据存储：采用大容量的f l a s h 存储芯片，可以将每次检测的数据保存下。 ( 7 ) 与上位机接口：通过u s b 接口将检测数据传送n p c 机中进行进一步的处理 分析。 2 2 磁阻传感器 2 2 1 磁传感器的选择 随着科技的发展，多种磁传感器被用来测量磁场的存在、强度和方向，这个磁场 不仅仅是地球磁场，还包括永磁体、磁化的软磁体、车辆的扰动、脑电波以及电流产 生的磁场。磁传感器可以非接触地测量这些物理参数，成为许多工业和导航控制系统 的眼睛。同时人们一直朝着提高灵敏度、缩小体积、和电子系统兼容的方向努力。下 面我们简单介绍一下各种磁性传感器中使用的不同技术： ( 1 ) 霍尔元件传感器 霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁传感器1 2 1 1 。当电流垂直于外磁场方向通过导体 时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效 应，该电势差称为霍尔电势差( 霍尔电压) ，如图2 2 所示。 图2 - 2 霍尔效应原理图 华中科技大学硕士学位论文 霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势u h 可用下式表示： u f r h + i + b d ( 2 1 ) 式中r r 一霍尔常数 i 控制电流 b 磁感应强度 d 霍尔元件的厚度 令k h = r n d 则得n ：u h = k h l b 由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流i 和磁感应强度b 。k h 称为霍尔元件 的灵敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。为求得较大的灵敏度，一般采用r h 大的n 型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使d 做得很小2 2 1 。霍尔效应传感 器用于测量1 0o e 至几千o e 的磁场强度，对于强磁场的测量最为理想。但霍尔元件的 灵敏度大约为1 2m v m a t ，霍尔元件在测量漏磁场时，其输出仅为几个毫伏，这需要经 过一系列复杂的处理电路才能得到有用的信号，而且在处理时，噪声信号往往一起被放 大，使真实的信号不易分离、采集。 ( 2 ) 磁通门传感器 磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，磁通门传感器是一种稍加改造的变 压器式器件，但其变压器效应只是作为被测磁场进行调制的手段2 引。如果考虑环境磁 场对铁芯的作用，当铁芯磁导率随激励磁场强度而变，则感应电势中就会出现随环境 磁场强度而变的偶次谐波分量，而当铁芯处于周期性过饱和工作状态时，偶次谐波分 量显著增大。对环境磁场来说，好象是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被 调制，并产生感应电势。因此，采用这种特殊铁芯和工作方式，用于检测环境磁场的 变压器式测量系统，被称为“磁通门”，其基本工作原理仍然是电磁感应。磁通门对弱 磁场( 如大地磁场) 测量十分有效，应用领域涉及磁场监测、电磁参数检测、工程检测、 载体方位姿态测量与控制。 磁通门传感器由铁芯外绕激磁线圈、感应线圈组成。铁芯的基本要求是磁导率高、 华中科技大学硕士学位论文 矫顽力小，且激磁线圈上的激磁电源频率要尽可能高。为提高测量精度而需要差分信 号输出，采用双铁芯传感器，现在一般采用跑道形结构 2 - 2 6 9 ，如图2 3 所示。两铁芯 上缠绕的激磁线圈反向串联，两铁芯激励方向在任一瞬间在空间都是反向的。但是， 环境磁场在两平行铁芯轴向分量是同向的。在形状尺寸和电磁参数完全对称的条件 下，激磁磁场在公共感应线圈中建立的感应电势互相抵消，它只起调制铁芯磁导率的 作用，而环境磁场在感应线圈中建立的感应电势则互相叠加。当激磁线圈接上正弦激励 电压，则通过激磁线圈的电流产生的激励磁场，当激励磁场的振幅略大于坡莫合金磁 化饱和点时，在环境磁场的作用下，在感应线圈上产生急剧的偶次谐波电压分量变化， 且偶次谐波在定条件下，仅与环境磁场有关。因此，磁通门传感器即可测出环境磁 场的大小，并且能够得知环境磁场的方向特性。 激励线圈铁芯感应线圈 k 趣 i ， 图2 - 3 磁通i 】传感器结构图 磁通门可以在制造工艺上使其非常敏感，分辨率最低为1u o e ，可以测量直流或交 流磁场频率的上限约为1 0 k h z 。但它们的尺寸规格较大，价格也较贵。 ( 3 ) 磁阻传感器 近年来，随着磁性薄膜的各向异性磁阻效应和铁磁月e 磁金属多层结构薄膜的巨磁 电阻在国外引起了基础理论研究和应用方面的高度重视，薄膜磁阻传感器迅速成为磁 性传感器技术中最活跃的一个分支，广泛应用于探矿、地下钻孔、位置检测、航海等方 面。 a m r 各向异性传感器的基本单元是用一种长而薄的坡莫合金用半导体工艺沉积 在以硅衬底上制成的，沉积的时候薄膜以条带的形式排布，形成一个平面的线阵以增加 磁阻的感知磁场的面积【27 1 。当沿着合金带的长度方向施加一个电流时，外加磁场会使 1 0 华中科技大学硕士学位论文 得合金带内部的磁化强度m 指向发生变化，进而与电流的夹角0 发生变化，就表现为合 金带自身电阻的变化，如图2 4 所示。 蝗篚乏薹复7 磊。磊坡寞= 台 金属触头 金薄膜 图2 - 4a m r 传感器工作原理图 薄膜的电阻率依赖于磁化强度m 和电流i 方向间的夹角，具有以下关系式： r ( e ) = r 上s i n 2 0 + r c o s 2 0 ( 2 2 ) 式中：r 上为电流方向与磁化强度方向垂直时的电阻值；r 为电流方向与磁化强度 方向平行时的电流值。从图2 5 可以清楚地看到，当电流方向与磁化强度方向平行时，传 感器最敏感。而一般磁阻都工作于图中4 5 。线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。 因此，在磁阻传感器的实际制作时，一般采用种名为“b a b e rp o l eb i a s i n g 的工艺， 通过改变流经磁阻装置的电流方向而不是改变其组件的磁化强度方向来提供线性区 域和磁阻极性的灵敏度【2 8 q 2 1 。 l 么 线性操 心 ； 作区 - - 9 0 - - 4 5 04 5 9 0 磁场与电流夹角 图2 5 磁阻灵敏度随磁场与电流夹角变化关系曲线 a m r 传感器主要具有下列优点： ( 1 ) 尺寸小： ( 2 ) 高灵敏度，使传感器可距被测铁磁物体一段较大的距离； ( 3 ) 内阻小，对电磁噪声和干扰不敏感： ( 4 ) 灵敏度具有方向性，可以利用这种特性使薄膜与干扰磁场垂直，与待测磁 华中科技大学硕士学位论文 场平行，可以显著提高抗干扰能力和灵敏度； ( 5 ) 频率特性好，由于磁阻薄膜厚度薄、涡流小，具有良好的高频响应特性； ( 6 ) 温度稳定性高，接成电桥后还可使温度特性进一步改善。 磁阻传感器通常用于测量i o e n l 0o e 的磁场，与霍尔元件和磁通门传感器相比， 磁阻传感器灵敏度高、体积小、价格便宜，更适合与便携式无损检测的应用。因此在 本系统中采用_ r h o n e y w e l l 的磁阻传感器h m c l 0 2 2 。 2 2 2a m r 传感器- - h m c l 0 2 2 h m c l 0 2 2 是一个二维磁阻传感器，由长而薄的有较强磁阻效应的玻莫合金薄膜制 成，四个磁阻薄膜组成了惠斯通电桥，如图2 6 所示。在磁场中，磁阻薄膜的电阻会随 着外磁场的大小而变化。当惠斯通电桥的桥电压恒定时，电桥的输出电压也就会随着 外磁场大小的变化而成比例的变化，由此可以测出外磁场的大小。 图2 6 磁阻传感器结构图 h m c l 0 2 2 的管脚和外形如图2 7 所示。它能够同时测量两个方向的磁场，最低可 检n 8 5p , g a u s s l 拘磁场( 地磁场约为0 5g a u s s ) ，并具有较宽的测试范围( 士6g a u s s ) 。 同时，它是一个集成化的芯片，体积小，功耗低，具有使用方便的特点，特别适合于 用来测试较小磁场。 传感器内还有一个磁场补偿电流带( o f f s e t + 年n o f f s e t - - ) 可进行多种模式的 操作，磁场补偿电流带上每通过5 0m a 的电流，相当于在与磁阻薄膜敏感轴交叉的方 向上提供了1o e 的磁场。这样便可以在电流带上通过一直流电流来抵消外环境磁场的 华中科技大学硕士学位论文 影响。 o f f s e t 收j1 删_ 1 毒0 f f s e t + 似1 o u 了， a j 二_ _ _0 e a _ _ - 1 ；s f r e 盎l v b r i d g ef a ) 3 _ _ _ - - _ 一1 0 妄茂- l a ； 0 0 t 犯1 ；删- _ _ 130 0 b ：e 0 0 t + b l ! _ - - - 1 2o u t * f 融 ；， b r i o g e 临is _ ：。_ 1o f f s e t f b ； g n d i a l7 _ ti 00 f f s e t + ：邑 s 琅一 酌8 一：_ - 9 基r 稽j 图2 7h m c l 0 2 2 的管脚图 磁阻传感器在受到强磁场影响( 2 0g a u s s ) 时输出信号会变坏。为了减少这种影 响，提高信号的输出，这里应用了一种磁开关技术以减少强磁场的影响。芯片内部集 成了一置位复位电流带( s 爪+ 和s r 一) 。加以3 5a 的脉冲电流( 相当于加以8 0o e 的强 磁场) 即可以重新校准或反置传感器内的磁阻薄膜。该脉冲宽度可以短至2 微秒，平均 电流小于1r i a 。电流脉冲i s e t 和- - i r e s e t 分别从s 瓜+ 到s 瓜一完成置位复位操作。两次 设置下的桥路输出v o u t ( s e t ) 与v o u t ( r e s e t ) 之差正是反应磁场值的两倍减去失调输出，这 是因为在置位和复位的条件下，传感器的传输特性曲线斜率一正一负，刚好抵消了桥 路的失调输出，这项技术也可以消除电子电路和温度引起的失调。 2 3a r m 微处理器 2 3 1 微处理器的选择 微处理器作为整个系统的核心，关系到系统总体的性能，因此选择一款合适的微 处理器是系统控制平台实现的关键。在此，我们主要考虑的因素有以下几点： ( 1 ) 处理性能 一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部寄存器的大小，指 令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需要处理器的系统设计来说，目标不在于 挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和i o 子系统。 ( 2 ) 技术指标 当前，许多嵌入式微处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片数量，降低了 华中科技大学硕士学位论文 整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件是否能无需过 多的中间器件就可以连接到处理器上。其次考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 、 内存管理器、中断控制器、串行设备和时钟等的配套。 ( 3 ) 功耗 嵌入式微处理器最大的应用市场就是手持设备、p d a 、手机、智能家电等消耗类 电子产品。这些产品中选购的微处理器，典型的特定就是要求高性能、低功耗。许多 c p u 的生产厂家已经进入了这个领域。目前，用户可以买到一片嵌入式的微处理器， 其速度像笔记本电脑中的p e n t i u m 一样快，而它仅使用普通电池供电即可，并且价格 很便宜。 ( 4 ) 软件支持工具 是否有较好的软件开发工具的支持。选择合适的软件开发工具对系统的实现会起 到很好的作用。 ( 5 ) 是否内置调试工具 处理器如果内置调试工具，可以大大缩减调试周期，降低调试的难度。 表2 1 列出了几种常用的嵌入式微处理器的特点。 表2 1 常用的嵌入式微处理器的特点 处理器类型处理器价格 主要性能及应用 a r m 低功耗低，适合个人便携式设备 d r a g o nb a l l 低速度低，主要用于p d a 通信、网络等设备，应用于对性能有较高要求的高端 p o w e r p c 高 嵌入式中 根据上述原则，考虑到系统的实际需要，我们选择了a r m 7 微处理器作为整个 铜丝绳无损检测仪的控制和处理核心。 2 3 2a r m 微处理器 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及 华中科技大学硕士学位论文 工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技 术正在逐步渗入到我们生活的各个方面口3 1 。到目前为止，a r m 微处理器及技术的应 用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了 高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展， a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以 其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞 争优势。此外，a e , m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的 应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游 戏机中得到广泛采用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。 手机中的3 2 位s n 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外。舢微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加 广泛的应用。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定； 删微处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 、i n t e r 的x s c a l e 、i n t e r 的s t r o n g a r m 几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器， 华中科技大学硕士学位论文 除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特 点和应用领域。 其中，a r m 7 、a r m 9 、灿l m 9 e 和删1 0 为4 个通用处理器系列，每一个系列提 供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较 高的应用而设计。 本系统选择的是是三星的s 3 c 4 4 b o x ，它采用了a r m 公司设计的a r m 7 t d m l t 勾 核，包含t h u m b 处理模式，支持嵌入式片内断点仿真调试并且内置3 2 位硬件乘法器。 它的核心电压为2 5v ，i o 电压为3 0 4 3 6v ，工作频率最高可达到6 6m h z 。是一款位 手持设备和通用设备而设计的一款1 6 3 2 位r s c 结构的低成本高性能的单片机d 训。 2 4 系统接口 2 4 1 接口的选择 除可通过单片机及其液晶模块对检测信号进行实时采集、处理、分析及显示外， 为了满足如离线再分析、远程监控和诊断或方便基于p c 机实时分析等需要，还需要 一种便捷、可靠的接口连接检测仪与p c 机，从而实现仪器的功能扩展和系统数据的 进一步分析。 。 外设与主机的通讯接口以前一般是基于i s a 总线、p c 总线、r s 2 3 2 串行总线等。 但是，随着计算机在各个领域中的应用日益普及和深入，其外设也越来越多，如打印 机、扫描仪、游戏杆、m i c 、m o d e m 等，原则上每个外设都必须插在一个接口上。当 外设多了以后，会产生一些问题。 首先，外设增多，计算机接口也必须增多，但计算机的标准接口总是有限的，虽 然可以通过增加功能接口插卡来扩展接口，但可增插卡的数量受计算机插槽个数的限 制，并且扩展接口卡存在以下问题： ( 1 ) 接口卡的插拔过程必须关机，并且需打开机箱进行安装和拆卸； ( 2 ) 接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程仍需要各种技术的支 持，其安装和配置过程仍需人工干预。当扩展插卡较多时，常会出现一块或多块插卡 华中科技大学硕士学位论文 因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃； ( 3 ) 接口插卡质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性将直接影响 计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性； ( 4 ) 笔记本电脑之类的小体积p c 很难用接口插卡进行功能扩展； ( 5 ) p c 插槽中的各种接口卡受到内部的射频辐射干扰，使其性能受到很大影响， 除非接口卡是全数字化的。所以扩展接口卡终究不是解决问题的根本方法 其次，随着技术不断发展，大量新外设不断出现，这些外设对计算机接口提出了 更高的要求，如高速度、双向传输数据等。传统的计算机接口，而并行打印机接口( 数 据传输率为1m b s ) 、串行r s 2 3 2 接口( 数据传输率为1 1 5 2 3 0k b s ) 已经不能满足 用户需要【3 5 1 1 还有，计算机越来越向简单、实用、方便、方向发展。传统计算机外设安装过程 中，在加、减设备时，必须关掉电源，完成之后再重新启动机器。由于传统计算机 接口有上述缺点，不能满足当前计算机发展的需要，于是，i n t e l ，m i c r o s o f t ， c o m p a q ，n e c ，i b m ，d i g i t a l ，n o r t h e r nt e l e c o m 等7 家世界著名的计算机公司和通 讯公司联合制定了一种新的通用外部设备总线规范，即通用串行总线u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 。1 9 9 4 年1 1 月发表了标准的最早版本v e r 0 7 ，1 9 9 8 年9 月2 3 日公布的 v e r l 1 是目前普遍采用的标准。现在已经发展到2 0 版本。u s b 协议出台后得到各计 算机生产商和外设厂商的广泛支持 3 6 1 。 u s b 与传统的外围接口相比，主要有以下优点： ( 1 ) 使用方便。在u s b 系统中，所有的u s b 设备可以随时接入和拔离系统，u s b 主机能够动态识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数。这样，安 装u s b 设备时，不必打开机箱，甚至在计算机工作时也无需关机和重新启动即可加、 减己安装过的设备，也不必用手动跳线或拨码开关来设置新的外设。u s b 的驱动程序 和应用软件可以自动启动，u s b 设备单独使用自己的保留中断，也不涉及i r q 冲突 问题，不会同其他设备争用p c 有限的资源，省去了硬件配置的烦恼，为用户带来了 极大的方便。 ( 2 ) 速度快。快速性能是u s b 技术的突出特点，u s bv e r l 1 标准有全速1 2m b s 华中科技大学项士学位论文 和低速1 5m b s 两种模式，主模式为全速，他比串口快了整整1 0 0 倍，t b 并口快了十 多倍。u s bv e r 2 o 提供高达4 8 0m b s 的数据传输率，可以在其上开发功能更多的电 子产品，包括高分辨率的视频摄像机、下代的扫描仪和打印机，并且，在u s b2 0 上多个高速外设可同时运行。 ( 3 ) 易于扩展。通过u s bh u b 扩展，可连接多达1 2 7 个外设，且各种外设均采用 统一u s b 接口标准的连接器，大大地简化了安装过程。标准u s b 电缆长度为3 米( 低 速5 米) ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 米。 ( 4 ) 独立供电。u s b 接口提供了内置电源，他能向低压设备提供5 v 电源，因此， 新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本，并提高了性价比。 ( 5 ) 使用灵活。为适应各种不同类型外围设备的要求，u s b 提供了4 种不同的数 据传输模式：控带1 ( c o n t r 0 1 ) 传输、同步( s y n c h r o n i z a t i o n ) 传输、中断( i n t e r r u p t ) 传输、批 量0 3 u l k ) 传输。 ( 6 ) 支持多个外设同时工作。u s b 系统支持多种数据传输的要求。数据带宽可以 从几k 到4 8 0m b s ，他允许在同一电缆上传输实时和非实时数据，在主机和外设之间 可以同时传输多个数据和信流，允许多个外设同时操作，并支持复合设备。 考虑到u s