董軍剛，劉大永，馮賀平，劉志宏

（河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000）

0 引言

鋼絲繩承載強(qiáng)度高、自重輕、耐沖擊、不易折斷、運(yùn)行平穩(wěn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁、礦產(chǎn)、船舶、索道、電梯、港口碼頭、機(jī)械制造等行業(yè)領(lǐng)域。盡管鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和尺寸各式各樣，應(yīng)用環(huán)境千變?nèi)f化，但其所起作用都是提升、牽引、拉緊和承載之用。鋼絲繩的質(zhì)量好壞、安全性能指標(biāo)高低，對(duì)所應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品或行業(yè)安全起著至關(guān)重要的作用[1-3]。因此，對(duì)鋼絲進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)是必須且必要的。本系統(tǒng)是在傳統(tǒng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上，搭載智能檢測(cè)裝置和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)、實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)與集中管理，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，減輕試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和產(chǎn)品檢驗(yàn)的質(zhì)量管理水平。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)框圖Fig.1 Detection system network architecture block diagram

1 鋼絲繩力學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)代傳感技術(shù)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，把安裝在傳統(tǒng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上的智能檢測(cè)設(shè)備采集到的鋼絲繩拉力（打結(jié)拉力）、彎曲及扭轉(zhuǎn)等力學(xué)參數(shù)信息進(jìn)行自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示與自動(dòng)存貯；通過無線網(wǎng)絡(luò)適時(shí)的上傳到計(jì)算機(jī)服務(wù)器，用戶可以使用電腦或者移動(dòng)終端登錄計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)，對(duì)接收到的參數(shù)信息參照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)處理，生成試驗(yàn)報(bào)告，從而完成鋼絲繩的力學(xué)性能整體檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。根據(jù)用戶要求，智能檢測(cè)系統(tǒng)必須采用觸摸屏控制和顯示，采用無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用信息管理系統(tǒng)完成鋼絲繩力學(xué)參數(shù)的集中管理與自動(dòng)處理。

目前，針對(duì)巨力索具公司研制的檢測(cè)系統(tǒng)共有10臺(tái)拉力機(jī)、8臺(tái)扭轉(zhuǎn)機(jī)和2臺(tái)彎曲機(jī)。同時(shí)，10臺(tái)拉力機(jī)包含2kN、5kN、10kN和50kN四種不同測(cè)量量程的機(jī)型，扭轉(zhuǎn)機(jī)也包含小型和大型兩種機(jī)型。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是在每臺(tái)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上搭載一套智能檢測(cè)設(shè)備，通過現(xiàn)代傳感和無線通信技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)的信息管理系統(tǒng)，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

鋼絲繩力學(xué)性能智能檢測(cè)設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，包括從力學(xué)拉力、扭轉(zhuǎn)和彎曲3個(gè)參數(shù)的獲取與變換、分析與處理、判斷與比較、存儲(chǔ)與讀取，到顯示與傳送等功能的全部實(shí)現(xiàn)。因此，該檢測(cè)設(shè)備主要包括力學(xué)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、測(cè)量電路、記錄存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理及無線通信等單元模塊，組成框圖如圖2所示。在設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)過程中，信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理電路和無線通信電路是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分，下面針對(duì)這3個(gè)模塊進(jìn)行描述。

圖2 檢測(cè)設(shè)備組成框圖Fig.2 Block diagram of detection equipment

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

鋼絲繩3種力學(xué)性能參數(shù)檢測(cè)中，扭轉(zhuǎn)和彎曲性能參數(shù)屬于開關(guān)量，檢測(cè)采用霍爾傳感器來完成；拉力性能參數(shù)屬于模擬量，檢測(cè)采用柯力的PST電阻電橋傳感器來實(shí)現(xiàn)。電阻電橋傳感器為電阻輸出，需將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，且傳感器靈敏度Sensitivity為2.0±0.002mV/V，采用5V電源供電，滿量程輸出10mV電壓信號(hào)。0mV～10mV的微弱信號(hào)需要經(jīng)過放大電路，才能放大到0V～5V的電壓信號(hào)，并傳送給測(cè)量電路采集處理。同時(shí)，干擾信號(hào)也會(huì)被放大疊加到拉力信號(hào)上，使系統(tǒng)靈敏度降低、穩(wěn)定性變差，以致無法正常檢測(cè)拉力值。

因此，濾波和放大電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這里采用了滿足AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的高集成度的用于橋式汽車壓力傳感器信號(hào)調(diào)理的專用芯片NSA9260設(shè)計(jì)電路。信號(hào)調(diào)理NSA9260可以直接給傳感器提供恒壓源供電，只需要把VREFP腳連接到電橋的供電端即可[4]，具體放大電路如圖3所示。該設(shè)計(jì)電路既考慮了放大功能，又兼容了濾波和抗干擾效果。圖3中，電容C5，C7和 C15 與電橋電阻構(gòu)成芯片模擬前端輸入濾波，提高系統(tǒng)輸入的抗RF干擾能力，電容C13，C14 是兩個(gè)接外殼的電容，用來抑制外界噪聲干擾；雙向瞬態(tài)電壓抑制TVS(ZD1)對(duì)ESD信號(hào)以及其他一些過壓瞬態(tài)脈沖進(jìn)行防護(hù)，輸出接口上的5V TVS(ZD2)可以防止輸出引腳上誤接高壓損壞芯片，同時(shí)保護(hù)輸出接口腳受到ESD信號(hào)的損壞。

2.2 信號(hào)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理電路

圖3 信號(hào)放大和濾波電路Fig.3 Signal amplification and filtering circuit

檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和顯示電路可以采用基于單片機(jī)或ARM的嵌入式系統(tǒng)方案，也可采用基于操作系統(tǒng)的觸控一體機(jī)方案。嵌入式系統(tǒng)方案控制靈活、方便，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且后期擴(kuò)展性不足；操控一體機(jī)方案實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單且功能豐富，但其功能不盡完善、成本較高且控制相對(duì)不便。根據(jù)用戶要求，為采用觸摸屏控制和后期升級(jí)擴(kuò)展方便考慮，系統(tǒng)采用了基于VINCE系統(tǒng)的觸控一體機(jī)平臺(tái)方案。

觸控一體機(jī)裝有正版Windows CE操作系統(tǒng)，采用32位低功耗ARM926EJ高速處理器內(nèi)核，帶有7.0寸高清數(shù)字觸摸屏，含有帶8進(jìn)8出I/O、1路12位AD采樣和3路標(biāo)準(zhǔn)RS232串口等資源[5]?；魻杺鞲衅鳈z測(cè)到扭轉(zhuǎn)和彎曲參數(shù)濾波后，借助一體機(jī)8個(gè)I/O口輸入ARM處理器；拉力傳感器檢測(cè)到拉力參數(shù)經(jīng)濾波放大電路后，通過一體機(jī)的12位AD實(shí)現(xiàn)拉力模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換并輸入ARM處理器，和扭轉(zhuǎn)彎曲等信號(hào)ARM處理器進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)和采集檢測(cè)；檢測(cè)和處理好的拉力、扭轉(zhuǎn)、彎曲等信息輸向一體機(jī)平臺(tái)7.0寸高清觸控屏顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品批次、編號(hào)和實(shí)驗(yàn)人員等基本信息的輸入，達(dá)到用戶屏幕觸控系統(tǒng)要求；最后，數(shù)據(jù)借助一體機(jī)自帶的標(biāo)準(zhǔn)RS232串口連接到無線通信模塊，傳送到計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)以供查看和自動(dòng)管理。

2.3 無線通信電路

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)要采用無線觸屏控制的要求，傳統(tǒng)的RS485或CAN總線等有線通信方式已不能滿足用戶需求，必須選用無線通訊技術(shù)。通過對(duì)目前市場(chǎng)433MHz頻段無線通信的幾款主流芯片nRF905/nRF401、CC1101/CC1020、A7139/A7102和SI4432等進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：A7139傳輸距離最遠(yuǎn)，可達(dá)1000m；最大發(fā)射功率20d Bm與接收靈敏度-114d Bm@10Kbps和其他芯片相當(dāng)；250kbps的最大通信速率相比其他芯片較低，但是足以滿足本系統(tǒng)的使用需求；各芯片成本區(qū)別并不大[6,7]。所以，在綜合考慮通訊距離、通訊速率、發(fā)射功率、接收靈敏度等因素基礎(chǔ)上，最終選擇臺(tái)灣笙科公司的A7139作為系統(tǒng)的無線通信模塊。

系統(tǒng)的無線傳輸模塊包含觸控一體機(jī)檢測(cè)端收發(fā)器和計(jì)算機(jī)監(jiān)控端收發(fā)器兩部分，每部分都具備收發(fā)一體，都由核心板、射頻板和通信狀態(tài)指示電路構(gòu)成，核心板和射頻板之間采用SPI總線連接。計(jì)算機(jī)監(jiān)控端收發(fā)器模塊采用UART串口向計(jì)算機(jī)傳輸信息，而檢測(cè)設(shè)備收發(fā)器模塊通過TTL電平與觸控一體機(jī)ARM處理器直接相連，這兩種收發(fā)器模塊通過433MHz無線通信完成無線數(shù)據(jù)的交互。

3 軟件設(shè)計(jì)

3種檢測(cè)設(shè)備的軟件功能大體一樣，包括實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、查詢與傳送。因此，檢測(cè)設(shè)備軟件功能主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀寫模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、系統(tǒng)設(shè)置及數(shù)據(jù)查詢模塊和操作界面模塊等部分組成。在上述模塊基礎(chǔ)上，拉力檢測(cè)設(shè)備還包含系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊比扭轉(zhuǎn)和彎折設(shè)備要復(fù)雜許多，而且這兩個(gè)模塊的性能好壞決定著系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與否以及性能優(yōu)良，因此下面對(duì)這個(gè)兩核心模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)敘述。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在拉力檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集過程中，軟件方面首先要讀取AD轉(zhuǎn)換完之后的電壓值，然后根據(jù)傳感器原理換算成對(duì)應(yīng)的拉力值，并存儲(chǔ)、顯示和傳送等處理。在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于外界干擾等因素影響，讀取的拉力值往往存在很大的波動(dòng)，若不采取任何處理就加以顯示的話，拉力值會(huì)忽大忽小搖擺不定，根本無法正常讀取數(shù)據(jù)和后續(xù)處理。因此，為了穩(wěn)定讀取拉力值，軟件處理結(jié)合滑動(dòng)平均濾波和峰值保持等算法，保證讀取到穩(wěn)定的拉力值。起初采用了3種濾波方法：中值濾波、卡爾曼濾波和滑動(dòng)平均濾波，在對(duì)比了3種濾波的效果之后，選擇了第一種滑動(dòng)平均濾波的方法?；瑒?dòng)平均濾波算法把連續(xù)取得的N個(gè)拉力值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N，每次采樣到一個(gè)新拉力值放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)（先進(jìn)先出原則），把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得本次的濾波結(jié)果。其中，N值的選取非常關(guān)鍵，取值太小濾波效果不理想，取值太大數(shù)據(jù)更新太慢，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終確定N=200。

3.2 拉力校準(zhǔn)模塊

在拉力采集過程中，傳感器的非線性輸出及其分散性造成系統(tǒng)檢測(cè)拉力值誤差，使檢測(cè)結(jié)果非線性。為了提高系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和線性，需要對(duì)拉力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行傳感器校正或校準(zhǔn)。常見的傳感器非線性校準(zhǔn)算法有：查表法、插值法和擬合法3種方法。他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的情況。查表法不需要進(jìn)行計(jì)算或只需要進(jìn)行簡單的計(jì)算，但需要在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)并測(cè)取大量測(cè)試數(shù)據(jù)，故采用插值法校準(zhǔn)系統(tǒng)非線性。但傳感器輸出特性曲率變化比較大，非線性比較嚴(yán)重且測(cè)量范圍比較寬，采用一種直線方程進(jìn)行校正很難滿足儀表的精度要求，所以采用分段直線校正法。針對(duì)本項(xiàng)目，分段數(shù)N為3，則系統(tǒng)函數(shù)和系數(shù)見公式（1）：

若已測(cè)取兩點(diǎn)A(x0,y0)與B(x1,y1)的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)，要得到[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的值，根據(jù)兩點(diǎn)式直線方程：

表1 5kN拉力設(shè)備校準(zhǔn)結(jié)果Table 1 Calibration results of 5kN tension equipment

表2 鋼絲繩拆股試驗(yàn)原始記錄Table 2 Original record of wire rope stripping test

可整理成斜截式y(tǒng)=kx+b的形式，求得該段擬合直線系數(shù)a11和截距a01：

從而求得該段直線方程y= a11x+a01，同理求得其他兩端直線方程。最后，程序根據(jù)讀取的拉力值x，判斷拉力值x位于的區(qū)間，找到對(duì)應(yīng)的函數(shù)式，最終求出校準(zhǔn)的拉力值y。

4 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)為拉力檢測(cè)的精度達(dá)標(biāo)。拉力檢測(cè)裝置測(cè)量范圍寬，從200N～50kN的測(cè)量范圍；其次，精度要求高，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)拉力誤差需小于1%。因此，項(xiàng)目在硬件設(shè)計(jì)方面采用光電隔離抗干擾和濾波電路，同時(shí)軟件方面采用滑動(dòng)平均濾波、峰值保持以及分段差值校準(zhǔn)等模塊，確保拉力檢測(cè)的穩(wěn)定度和精確度。表1為國家檢測(cè)單位在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)本設(shè)備的報(bào)表，從表1中可以看出檢測(cè)出的拉力值與標(biāo)準(zhǔn)拉力機(jī)測(cè)得的拉力值十分接近，其誤差小于1%；表2為企業(yè)檢測(cè)中心檢測(cè)的一批鋼絲繩數(shù)據(jù)，同批次鋼絲繩檢測(cè)破斷力一致性比較好，達(dá)到國家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)企業(yè)要求，研制了一套基于無線觸控平臺(tái)的鋼絲繩力學(xué)性能智能檢測(cè)系統(tǒng)，把傳統(tǒng)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試的鋼絲繩力學(xué)參數(shù)信息進(jìn)行自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示與自動(dòng)存貯，通過無線網(wǎng)絡(luò)適時(shí)的傳送到計(jì)算機(jī)，借助信息管理系統(tǒng)對(duì)接收到的參數(shù)信息進(jìn)行自動(dòng)管理、檢測(cè)和生成試驗(yàn)報(bào)告，完成整體檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。通過企業(yè)實(shí)際安裝測(cè)試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)合滑動(dòng)平均濾波和峰值采樣，系統(tǒng)抗干擾能力及穩(wěn)定性顯著提高；通過拉力設(shè)備傳感器分段直線校正，拉力機(jī)測(cè)得的拉力值誤差小于1%，達(dá)到國家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)檢測(cè)使用要求。