鋼絲繩在使用過(guò)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(cè)裝置的小型化和智能化，針對(duì)人眼檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置操作簡(jiǎn)單、功能全面，既可對(duì)鋼絲繩進(jìn)行在線檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)采集的過(guò)程與結(jié)果通過(guò)液晶顯示器顯示，又可通過(guò)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(jiǎn)介

　　SILIConLabs公司的C8051F系列單片機(jī)為完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(duì)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(lái)的12倍，全指令集平均運(yùn)行速度為原來(lái)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。

　　②強(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(kāi)關(guān)陣列，可以將內(nèi)部系統(tǒng)資源定向到PO、P1和P2口。

　?、鄱噙_(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(duì)保護(hù)用戶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　?、輳?qiáng)大的模擬信號(hào)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(cè)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(hào)通過(guò)漏磁場(chǎng)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(hào)直接反映在磁橋路的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化上，從而檢測(cè)鋼絲繩的LF(LOCalizedFault)型缺陷和LMF(LosSOFMetallicArea)型缺陷。檢測(cè)元件采用高靈敏線性集成霍爾元件，獲得的檢測(cè)信號(hào)具有與速度無(wú)關(guān)的特性，然后將檢測(cè)信號(hào)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(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)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(guò)軟件編程進(jìn)行設(shè)置。

　　檢測(cè)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(tái)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(duì)所需參數(shù)初始化工作，包括對(duì)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(guò)對(duì)其命令字中寫入命令字節(jié)，進(jìn)行開(kāi)顯示、改變顯示起始行、設(shè)置顯示頁(yè)和顯示列等操作；通過(guò)查詢狀態(tài)字了解顯示器的工作狀態(tài)；通過(guò)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(duì)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(jí)語(yǔ)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(guò)4腳JTAG接口可以對(duì)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(chǔ)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(duì)于開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(cè)裝置采用電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在工作過(guò)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(hào)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(hào)誤動(dòng)作等。為保證檢測(cè)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(cè)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(hào)傳輸為弱信號(hào)、長(zhǎng)距離傳輸，檢測(cè)系統(tǒng)的傳輸線采用雙絞線，能有效抑制各種干擾信號(hào)；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(duì)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(yǔ)

　　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(wú)損檢測(cè)裝置成功地實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化，檢測(cè)多以軟件實(shí)現(xiàn)，便于檢測(cè)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(cè)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(chǎng)檢測(cè)，也可以通過(guò)USB通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)與再分析。該檢測(cè)裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。