1、1 緒 論1.1課題研究的背景和意義鋼絲繩作為人員物料搬運過程中提升、牽引、拉緊、承載的載體，具有較高的強度和韌性，因而鋼絲繩被廣泛的使用在工農業生產和居民生活的各各方面，從建筑工地的吊車到高層住宅中的電梯，從工廠的牽引機到港口碼頭的龍門吊，從油井的錄井鋼絲繩到建筑工地的升降機，到處都可見到鋼絲繩的身影。但是在使用過程中，鋼絲繩不可避免的出現磨損和疲勞損傷，導致鋼絲繩強度和韌性下降甚至斷裂，直至引發事故，這其中重大人員傷亡及財產損失的事故舉不勝舉。鋼絲繩一旦有損傷，其強度和韌性會迅速降低，因此為保證生產安全和人身安全，必須對工作狀態的鋼絲繩進行定期缺損檢測。隨著檢測技術和電子技術的不斷發展，現

2、在的檢測方法都立足于對被測物體不造成任何損傷，即無損檢測技術。目前應用于鋼絲繩檢測的無損檢測方法較多，主要有目視檢測、磁粉檢測、渦流、超聲波、射線、工業ct等，但在高速度、可靠性、高效率等方面，這些方法均存在著不同的不足。從磁粉檢測演化而來的漏磁無損檢測是建立在如鋼絲繩、鋼棒等磁性材料的高磁導率這一特性基礎之上的。磁性材料如鋼絲繩被磁化后，磁場會在磁回路中建立，對于無損傷鋼絲繩，磁回路中的磁場強度為固定值，且其表面基本無磁場溢出。當鋼絲繩有破損時，其磁通會發生相應變化，引起磁回路中磁場強度的變化，在其表面亦會有部分磁場溢出。通過檢測磁回路中的磁場變化以及溢出磁場的強度，即可判斷出鋼絲繩的破損狀

3、態和位置。本文主要研究通過檢測溢出磁場即漏磁場強度判定鋼絲繩表面損傷的狀態。漏磁場檢測方法具有在線檢測能力強、自動化程度高、檢測精度高等優點，從而能滿足生產及實際應用中的連續性、快速性和在線檢測的要求，使得漏磁檢測成為目前應用最為廣泛的一種檢測方法，大量應用于鋼絲繩、管道等鐵磁性材料的無損檢測中。1.2 國內外相關研究現狀1.2.1 國外研究概況鋼絲繩無損檢測是指在不損壞鋼絲繩使用的情況下，應用一定的檢測技術和分析方法，對鋼絲繩的狀態特性予以測量，從而判斷出鋼絲繩的受損程度。國外開始研究漏磁檢測技術的起步較早，1933年zuschlug首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想，但直到1947年h

4、astings才設計出了第一套漏磁檢測系統，統由于其檢測精度和檢測速度廣受好評，漏磁檢測才開始受到普遍關注。隨著研究的不斷深入，各種各樣的漏磁檢測設備不斷被研發出來，應用范圍也不斷擴大，從管道內測量到管道內外的各類型缺陷的測量，從剛開始的定性測量到后期的定量測量，漏磁技術不斷完善。目前，漏磁檢測設備主要在其檢測精度、在線檢測、無干預檢測這幾個方面不斷升級。漏磁場分析的研究主要集中在利用計算機模擬分析各種不同缺陷對應的檢測信號，通過模擬計算判斷被測磁性物體損傷的類型、大小和位置。目前的漏磁檢測裝置，不僅能夠完成被測物體的缺陷報警，同時能夠通過對檢測信號的分析來定量的判斷其損傷的類型、大小和位置，

5、其檢測精度不斷提高，檢測內容不斷完善。1.2.2 國內研究現狀我國漏磁檢測技術研究工作起步較晚，其總體技術水平落后于歐美發達國家。但隨著國內科研人員的不懈努力，漏磁檢測技術蓬勃發展，在各行業各領域均可見到國內漏磁檢測技術的研究成果。諸如輸油管道內外缺陷無損測量、鋼絲繩無損測量等技術設備。國內研究漏磁檢測技術的高校主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、沈陽工業大學等。其中華中科技大學的楊叔子、康宜華、武新軍等，在儲罐底板漏磁檢測研究和管道漏磁無損檢測傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測等方面進行了大量的實驗研究工作，其研究成果廣泛應用于相關行業，填補了國內漏磁檢測的相關空白。但是總體而言，國內的

6、漏磁檢測技術及設備落后于國外同類產品，尤其是在設備的小型化、智能化和在線檢測能力上相差較大。因此本文提出一種基于arm的漏磁檢測系統，該系統采用lm3s615為硬件核心，有利于設備小型化，使之能夠實現在線檢測的要求。降低系統對于操作人員的素質要求，提高系統的自適應性和智能化。1.3 系統設計思路及論文主要研究工作1.3.1 系統設計思路通過對國內外漏磁檢測數據的研究，總結出如圖1.1所示的設計思路。漏磁場信號的特點及檢測系統的性能要求是整個檢測系統設計的基礎，根據漏磁信號的特點來確定信號采集和分析處理的方法，根據檢測系統性能要求進行系統硬件選擇，并綜合考慮信號采集和處理方法的硬件要求；在硬件基

7、礎之上進行相應的軟件實現；最后對系統進行綜合調試，對實驗數據進行分析處理，從而確定設計系統是否滿足設計要求。圖1.1 系統設計思路在整個系統設計過程中，先對各部分進行相應的調試，確保各部分都能達到設計要求，從而降低綜合調試的難度。1.3.2 主要完成的研究工作本文主要是鋼絲繩在線無損檢測系統的設計研發。通過研究目前常用的漏磁場檢測方法和儀器，設計了以磁阻傳感器為核心部件的漏磁探頭，采用相關分析方法對采集的漏磁信號進行處理，可有效的提高測量精度，尤其對于單根鋼絲繩細微的表面破損有較好的檢測效果。本系統基于arm，極大的降低系統功耗，便于實現在線檢測的目的，同時提高系統的可靠性，簡化設計，提高運算

8、速度，具有設計靈活，現場可編程，調試簡單和體積小等特點，可實現工作現場直接檢測的要求。同時，由于arm的模塊化設計，只需修改核心的控制模塊，并重新燒寫，就可實現算法的改進和升級，為提高系統的適應性打下良好的基礎。論文完成了以下工作：a文中分析了常用的鋼絲繩無損檢測技術，總結其優缺點，選用以測磁原理為基礎的漏磁場信號檢測方法；通過對國內外漏磁檢測技術應用的研究，確定了以arm為硬件基礎，相關分析為信號處理方法的設計思路，實現鋼絲繩在線無損檢測的功能。b完善系統設計思路的細節，確定檢測系統總體方案及軟硬件方案。并討論了相關分析的理論及算法，在理論上對相關分析消除噪聲、提高信號信噪比進行數學推導，并

9、運用仿真及實驗的方法論證了相關分析提取信號的方法及在漏磁信號檢測中的有效性。c通過研究漏磁檢測原理，分別完成磁敏元件的選擇，聚磁回路和雙回路磁化的設計，在此基礎上完成檢測探頭的設計。d完成了漏磁檢測系統的硬件電路設計，包括lm3s615芯片電路、a/d轉換電路、串行存儲器設計電路、復位電路、液晶接口電路、報警電路等的設計工作。e通過對各種軟件設計方法的研究，提出模塊化智能化設計思想，在此基礎上完成系統軟件設計，使用c語言實現互相關算法編程及人機交互界面。f通過對漏磁檢測系統調試分析，確定檢測系統的性能指標，檢測數據顯示其性能基本達到設計要求。g總結系統存在的缺陷和不足，提出改進思路。2 系統總

10、體設計方案2.1 鋼絲繩無損檢測系統概要鋼絲繩無損檢測系統的目的是對受損鋼絲繩進行檢測，判斷出被測鋼絲繩的受損程度，并由此確定被測鋼絲繩性能安全與否。基于這一思想，提出檢測系統的性能要求，即連續性、快速性和在線檢測。根據性能要求，綜合緒論中的設計思路，提出如下設計方案。2.1.1鋼絲繩無損檢測系統總體設計方案a. 總體方案數據采集、數據處理和數據輸出是一個數據處理系統的三大基本功能，本文中的鋼絲繩無損檢測系統也同樣具有這三大功能，圖2.1顯示了這三大功能之間的相互關系。由采集系統采集所需數據并進行相應預處理，為數據處理系統提供有效清晰的數據信號；數據處理系統對傳輸過來的數據進行分析處理，并根據

11、用戶提供的參考值，與處理結果進行比對，從而得出結論；由數據輸出系統完成數據的顯示、傳輸或其他功能。圖2.1 系統功能框圖設計中的絲繩無損檢測系統，其數據采集部分的核心是傳感器，主要功能是通過勵磁裝置對被測鋼絲繩進行磁化，聚磁回路加強漏磁場強度，磁敏傳感器探測漏磁信號；數據處理模塊主要由預處理及相應算法組成，其作用是提高信號信噪比，抑制噪聲，增大微弱信號幅度，從而能有效提取出有用信號，并根據信號中包含的有效信息，判斷出鋼絲繩的損壞程度；數據輸出模塊包括數據顯示、存儲及傳輸。b. 鋼絲繩無損檢測系統工作流程對于無任何損傷的鋼絲繩，使用勵磁裝置磁化時，其表面幾乎沒有磁感應線穿出，檢測其磁場強度基本為

12、零。鋼絲繩由于損壞變形其本身的磁導率會發生變化，在損壞變形處磁導率變小，磁阻增加。因此鋼絲繩內的磁感應線會改變傳播方向，有一小部分磁感應線會溢出鋼絲繩表面，通過空氣再重新進入到鋼絲繩內，在鋼絲繩表面形成漏磁場14。因此可使用靈敏度較高的磁敏元件對已磁化鋼絲繩進行測量，采集漏磁場信號，經過信號放大濾波處理后，進行模數轉換，再送入arm，進行fir數字濾波、處理、分析，并將結果輸出，然后用戶可根據分析結果判斷被測鋼絲繩受損是否超標，從而確定該鋼絲繩是繼續使用還是需要更換。整個過程可自動實現。其工作流程如圖2.2所示。圖2.2 系統工作流程圖鋼絲繩的損傷類型很多，主要可分為表面缺損和繩徑變化。表面缺

13、損最為常見如裂紋、坑點、孔洞、斷裂等。針對不同的鋼絲繩受損狀態，使用不同的檢測方法進行檢測，才能獲得較好的檢測數據。本系統基于arm7設計，采用漏磁檢測方法，運用互相關運算，以期望能夠滿足多種不同狀態受損鋼絲繩的檢測要求及精度要求。由于互相關運算針對兩組不同信號的處理，因此系統中檢測探頭布置2套，每套內裝4個磁敏元件，可分別采集四個方向上的漏磁信號，每個磁敏元件對應一路放大濾波和模數轉換電路，即共有8路放大濾波和模數轉換電路。系統結構簡圖如圖2.3所示。圖2.3 鋼絲繩檢測系統結構簡圖2.1.2 鋼絲繩無損檢測系統組成a. 數據采集數據采集工作是依靠檢測探頭完成，考慮到漏磁信號十分微弱且淹沒在

14、強干擾噪聲中，因此設計中選用磁阻傳感器作為磁敏元件，較霍爾器件靈敏度更高。檢測探頭是整個系統檢測的初始端，也是系統信號的來源，其主要功能是完成對被測鋼絲繩漏磁信號的檢測，將磁信號轉變為電信號。檢測探頭中傳感器性能的高低直接關系到能否有效檢測出所需的漏磁信號。檢測探頭主要包括傳感器、聚磁和磁化三個部分17。為便于arm分析處理，需要將空間域的漏磁場信號轉換為時間域信號，采用磁電信號的時空域采樣方法，可滿足這一要求。采集的漏磁信號為模擬信號，需將其轉換為數字信號才可傳送給arm，這一工作由a/d轉換電路完成。b. 信號處理信號處理的目的是將由傳感器輸出的檢測信號不失真的進行放大、濾波處理，從而提高

15、檢測信號的信噪比和抗干擾能力，為進一步的信號識別、分析、診斷、顯示、存儲、記錄等打下良好的基礎，能夠顯示出明顯的信號特征或檢測結果，滿足使用要求。信號處理是整個設計的核心部分，主要包括放大處理，模擬濾波處理、fir數字濾波處理、和漏磁信號的相關分析等。其中放大處理，模擬濾波處理依靠硬件電路實現，包括放大濾波電路，arm系統及周邊電路。而fir數字濾波處理、漏磁信號的相關分析等依靠軟件實現。c. 信號輸出其主要作用是將處理結果輸出、顯示、存儲。通過相應硬件電路完成。d. 人機互動接口包括鍵盤、lcd。鍵盤可以對系統進行操作，進行參數的設定等；lcd提供界面顯示。e. 光電編碼器它是一種通過光電轉

16、換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，其作用是控制采樣時間和間隔。f. 時鐘：由arm內部晶振提供50mhz頻率的時鐘信號。2.1.3 鋼絲繩無損檢測系統硬件設計方案整個硬件系統可分為三大部分：檢測探頭單元，信號采集轉換單元，基于arm的數據處理及控制單元。其硬件系統框圖如圖2.4所示。系統硬件是鋼絲繩無損檢測系統的執行控制核心，其所有功能諸如對采集時間的控制、運算分析、信號存儲、時間調度等均是以硬件設計為基礎實現的。設計中完成了主要芯片的選取以及基于arm芯片的硬件系統設計。圖2.4 系統硬件設計方案框圖2.1.4 鋼絲繩無損檢測系統軟件設計方案系統軟件設計是基于ads軟核

17、處理器開發，使用c語言實現。硬件是系統功能的實現者，而軟件是系統功能的指揮者，優秀的軟件能極大提高系統的硬件性能。鋼絲繩無損檢測系統的功能就是實現鋼絲繩在線無損檢測，并判斷鋼絲繩的損壞程度，同時可將檢測數據顯示出來，根據用戶需要可將數據保存或傳輸，另外還應使系統能夠完成多種類型鋼絲繩測試，這就要求用戶能夠對系統參數進行修改，因此需要有人機互動接口。其主要功能可分為六部分：數據采集；數據處理，包括數據濾波和數據分析；數據顯示；數據存儲；參數設置；數據傳輸。同時為完成這些功能間數據的調度，避免訪問沖突，還應設計數據調度軟件程序。根據功能劃分，結合硬件電路，可將軟件劃分為相應的模塊進行編寫。包括a/

18、d轉換軟件模塊、存儲軟件模塊、人機互動軟件模塊、數據調度軟件模塊以及arm核心軟件模塊。基本設計方案如圖2.5所示。圖2.5 軟件設計方案2.2 漏磁信號處理2.2.1 信號處理流程鋼絲繩無損檢測系統信號處理的基本流程是采集已磁化鋼絲繩的漏磁信號，對采集信號進行放大濾波，經a/d轉換為數字信號供arm使用，通過fir數字濾波后進行相關處理，對處理結果進行分析判決，從而判斷出鋼絲繩是否符合使用標準。由于鋼絲繩工作現場環境惡劣，檢測系統會受到多種干擾的影響，并且漏磁信號及其微弱，經常被淹沒在強噪聲背景中。為了能夠獲取較理想的漏磁信號，設計中采用多路檢測探頭采集信號。信號處理流程框圖如圖2.6所示。

19、圖2.6 信號處理流程框圖漏磁場信號微弱且淹沒于強噪聲中，因此必須對其進行放大濾波后才能進行提取。因此系統中設計了放大電路和模擬濾波電路。放大電路選用集成運放lm358差動輸入方式，模擬濾波電路采用帶通濾波方式。2.2.2 fir數字濾波fir是有限沖激響應（finite impulse response）的簡稱。fir濾波器是在數字信號處理中經常使用的兩種基本的濾波器之一。由于設計中運用相關處理，則要求信號具有較強的相關性，所以在濾波過程中，對信號的頻率、相位等參數影響越小越好，而使用fir濾波器容易獲得嚴格的線性相位特性，可以有效避免信號的相位失真。因此設計中選用fir濾波器。a. fir

20、濾波器原理一個理想濾波器的特性可以用下式表達。 (2.1)使用傅里葉反變換可求得理想的單位沖激響應。 (2.2)從式（2.1）和式（2.2）可知理想濾波器在物理上是不可實現的，因為沖激響應具有無限性和因果性。因此為實現fir濾波器的功能，只能盡量近似的逼近其原始值。考慮使用有限長度的沖激響應函數，使函數的值盡量逼近理想fir沖激相應函數。根據實際需求，設置好函數的長度，即可基本實現其濾波功能。若使用表示截取后的沖激響應，即，式中的為窗函數，長度為n。使用窗函數就可構建滿足使用要求的fir濾波器。這里需構造一個長度為n的線性相位濾波器，將截取一段，并保證截取的一段對(n-1)/2對稱。b. 窗函

21、數窗函數的作用是從理想沖激響應中的無限個采樣點中選取有限個采樣點，這個重要的步驟使沖激響應的采樣值可實現為一個實際濾波器。fir數字濾波器中較常用的窗函數主要有以下幾種。(1) 矩形窗：n項矩形窗為 ，其他處為零。 (2.3)(2) 漢寧窗：長度為n的漢寧窗定義為，()。 (2.4)(3) 漢明窗：長度為n的漢明窗定義為，()。 (2.5)(4) 布萊克曼窗：長度為n的布萊克曼窗定義為，()。 (2.6)在相同條件下，這里假設n=51，不同窗函數的低通濾波特性如圖2.9所示圖2.9 a)矩形窗 b）漢寧窗 c）漢明窗 d）布萊克曼窗由圖可知矩形窗設計的過渡帶最窄，但阻帶最小衰減也最差，僅-21

22、db；布萊克曼窗設計的阻帶最小衰減最好，達-74db，但過渡帶最寬，約為矩形窗設計的三倍。幾種窗口函數的具體性能比較見表2.1。表2.1 窗函數的性能對比窗函數主瓣寬度旁瓣峰值衰減(db)阻帶最小衰減(db)矩 形4/n-13-21漢 寧8/n-31-44漢 明8/n-41-53布萊克曼12/n-57-74經過測試，本設計選用矩形窗以獲得最佳的濾波效果和最低的邏輯門使用量。2.3 信號處理方法2.3.1 等空間采樣技術鋼絲繩無損檢測過程中，漏磁場信號與鋼絲繩受損位置有關，而與檢測時間無關，這種空間位置函數的信號稱之為空間域信號，其特征在空間域中才能得到真實反映。所以在檢測過程中，需要取得被測鋼

23、絲繩受損位置的空間信息。設計中，使用編碼器獲取這一相應空間域信息。但是通常在時域中對信號進行分析處理，因此設計中采用傳感器件將空間域信號轉換成時域電信號，獲得與檢測相關的特征信號18。a信號的等空間間隔采樣方法空間域信號采樣的核心是如何將空間域信號轉換為便于處理的時域信號。在漏磁信號檢測過程中，檢測探頭相對于鋼絲繩運動完成空間檢測，即完成對被測鋼絲繩的漏磁場檢測；同時發出等空間脈沖信號；在脈沖信號的控制下進行數據讀取，這樣就完成了空間域離散信號轉換為時間域離散信號的工作。根據空間域信號采樣方法，設計中將位置編碼器固定于檢測探頭，使編碼器的導輪沿鋼絲繩軸向作純滾動，帶動編碼器的光柵同步運動，當檢

24、測探頭相對于鋼絲繩每移動一個空間采樣間距時，在光柵的作用下，光敏管輸出一個脈沖信號。通過這一脈沖控制a/d進行數據采集和轉換，實現漏磁信號按照空間位置的采樣。由于檢測探頭移動距離均為等間距，即空間上是等空間的，因此，經過這一脈沖序列控制的采樣數字信號序列即為等空間采樣信號。這一方法的實現過程如圖2.10所示。圖2.10 等空間采樣系統原理圖空間域信號的采樣一般是在時間域內進行的，因此必須同時滿足信號在空間域采樣定理的要求和在時域采樣定理的要求。b等空間采樣間距的選擇在鋼絲繩檢測中，采樣間距直接決定著采樣中的數據量，影響著鋼絲繩檢測的精度。經過實驗，得出檢測數據量與采樣間距的對應關系如圖2.11

25、所示。如果采樣間距選擇過大，缺陷信號可能被漏檢；如果采樣間距選擇過小，由圖2.11對應曲線可知，檢測的數據將急劇增加，處理速度減慢。圖2.11 檢測數據量與采樣間距的對應關系從圖2.11可以得出，采樣間距選擇在曲線1.02.0mm較為理想。位置編碼器的采樣間距的大小由導輪直徑d和光柵的數目n決定，其關系式為。 (2.7)根據公式（2.7）可以選擇位置編碼器的直徑d、光柵的數目n。c. 等空間采樣的實現編碼器滾輪和鋼絲繩做純滾動，在每一個鋼絲繩的等空間位移處，cpu根據編碼器脈沖信號確定采樣時刻并發出觸發信號，在觸發信號控制下系統讀取i/o狀態，實現等空間采樣。在鋼絲繩工作現場，鋼絲繩運動非勻速

26、，因此脈沖觸發信號發出的時間間隔是動態的，當鋼絲繩運動速度較快時，脈沖信號發出的頻率較高，即讀取采樣信號較快；當鋼絲繩運動速度較慢時，脈沖信號發出的頻率較低，則讀取采樣信號較慢，但從空間角度來看，每次采樣的空間間隔都是相同的，從而實現鋼絲繩的等空間采樣。2.3.2 相關分析理論與算法a. 相關分析概述相關技術的方法和理論在信號和系統分析中占有重要的位置。近些年來，隨著大規模集成電路和計算機技術的迅猛發展，集成電路的成本越來越低，因此相關技術在工業過程控制有關領域的使用越來越廣泛，特別在數據處理和微弱信號檢測方面，相關技術以自己的優勢，有效地解決了許多工業難題。相關檢測的應用主要包括以下幾個方面

27、。 （1）從噪聲中提取信號確定信號自身相關性較強，并且其相關性與時間無關；而干擾噪聲本身相關性較弱。在不同時刻檢測的信號，其噪聲隨機性強，利用相關函數可有效出去噪聲，提高信號信噪比，由此可將確定信號和干擾噪聲區別開。（2）渡越時間（transit time）檢測對于兩路具有延時特性的隨機信號，其互相關函數具有一下特性：在延時值處，兩路隨機信號的互相關函數取得最大值。利用這一特性，可以由互相關函數最大值位置測量出延時值的大小。（3）速度檢測如果能夠確定兩點直接的距離，檢測出目標物體通過這段距離所需要的時間，也就測出了目標物體的運動速度。這種方法常用于常規檢測儀器難于應用的檢測對象。例如高溫對象無

28、法直接目視測量。（4）距離測量如果某種對象的運動速度已知，那么測出它在兩點之間的渡越時間，就可以計算出這兩點之間的距離。（5）系統動態特性辨識系統動態特性辨識又稱作系統辨識，是近年來迅速發展的領域。對于大型工業系統其動態性的確定，往往無法直接測量，并且在操作現場噪聲干擾強，利用互相關分析可較大程度的解決這一問題。b. 自相關函數隨機噪聲的自相關函數是其時域特性的平均度量，反映了隨機噪聲本身在不同時刻（例如和）取值的相關程度，其定義為， (2.8)對于各態遍歷的平穩隨機信號，其統計特征量與時間起點無關。令、，簡記為，即 (2.9)用時間平均來計算式(2.9)，自相關函數可以表示為 (2.10)自

29、相關函數具有以下重要特點。(1) 對于實信號，自相關函數是的偶函數，即。(2) 周期信號的自相關函數是一個與原信號周期相同，相位不同的周期信號。(3) 自相關函數在時取得最大值，其值等于該信號的均方值。(4) 隨機信號的自相關函數具有隨值的增大而遞減的特性。c. 互相關函數互相關函數反映兩個不同的隨機噪聲和在不同時刻和取值的相關程度，其定義為 (2.11)若、兩路隨機信號平穩，則其統計特征量與時間起點無關。令、，則，簡記為，即 (2.12)若、同時又是各態遍歷的，則可以用時間平均來計算式(2.7)，這時互相關函數可以表示為 (2.13)互相關函數具有以下特點。（1）互相關函數不再是偶函數，即但

30、。（2）趨于無窮大時，互相關函數可以寫成和均值的乘積，即 (2.14)（3）互相關函數的上界由下式確定 (2.15)（4）對于平穩隨機噪聲，僅與時間差有關，與計算時間的起點無關。d. 相關函數的實現相關函數的運算分為模擬積分方式和數字累加方式兩類，主要針對模擬信號和數字信號處理。計算方法分別如下。（1）模擬積分方式對于平穩隨機信號和，根據定義，其自相關和互相關函數可以分別表示為 (2.16) (2.17)在理論上上面兩個公式中的積分時間是無窮大。但是在實際應用中不可能滿足這一點。通常的做法是在有限積分時間t內計算相關函數的估計值，即 (2.18) (2.19)式中，表示的自相關函數的估計，表示

31、和的互相關的估計。因為積分時間有限，所以估計值結果會有偏差。因此根據所需的誤差范圍來設定相應的積分時間，積分時間越長，誤差越小，但運算速度越慢，需要選取合適的硬件設備來配合。 （2）數字累加方式數字累加是將式（2.16）（2.19）離散化后的直接結果。將被測信號和取樣，并進行模數轉換，可得到離散的數字信號和，利用累加平均的方式實現積分運算，則信號自相關函數和互相關函數的估計值分別表示為 (2.20) (2.21)其中，n表示累加平均的次數，k為延時序號。目前的許多研究和應用領域中，都涉及到微弱信號的精密測量。然而對任何一個系統，必然存在電路內部噪聲，這一噪聲信號根本不可能完全除去，需要在信號處

32、理中加以削弱，以凸顯有效信號；而當所測量的信號較微弱時，如何把淹沒于噪聲中的有用信號提取出來，是目前微弱信號處理的焦點問題。2.3.3 相關分析在漏磁檢測中的應用考慮到漏磁信號本身非常微弱而環境噪聲異常復雜，因此在設計中采用互相關函數進行信號檢測，利用此方法可在信號頻率未知的條件下有效提高對信號的檢測能力。a漏磁信號提取（1）互相關處理對于信號提取的特點設計中，兩組傳感器將采集到的漏磁信號傳送至arm系統中，由相關分析進行相應處理。其本質上是：利用兩個配置在不同位置的傳感器測量同一信號源的信號，利用有用信號與噪聲相互獨立的特點可將信號從噪聲中提取出來。漏磁信號互相關運算基本原理如圖2.12所示

33、。圖2.12 互相關原理兩個傳感器的輸出信號分別為、分別表示干擾噪聲。對兩個傳感器的輸出信號和做互相關處理，得 (2.22)式中、分別表示信號的自相關函數、信號與噪聲的互相關函數、噪聲與噪聲的互相關函數。假定（這也符合實際情況），若、互相獨立，則式(2.22)后三項均為零。則由式(2.22)可得 (2.23)由式(2.23)，可以看到不包含噪聲的自相關項，所以可根據各種值的判斷的相關性特征。使用matlab軟件驗證上面的理論推斷。假設輸入信號正弦信號為，并混有噪聲信號、，則輸入信號分別為。 (2.24) (2.25)其中為時間間隔，由編碼器脈沖信號確定。信號互相關運算可得 (2.26)根據相關

34、函數特性可知，式(2.26)的后3項均趨向于零，則理想狀況下的互相關函數為 (2.27)仿真中，設時刻采集樣本信號1為，0t49，伴隨隨機噪聲；時刻采集樣本信號2為，0t49，伴隨隨機噪聲。隨機噪聲使用matlab中的randn函數實現。為提高仿真效果，信號信噪比較大，設置為5。matlab仿真核心語句為 figure; t=0:99; xn=xs1+xn1+xs2+xn2; xsig=xcorr(xn); plot(real(xsig); ylabel(“幅值”); xlable(“時間”); title(“互相關信號”)其中xs1、xs2為正弦信號；xn1、xn2為隨機噪聲。如圖2.13所

35、示其中橫坐標為時間軸單位秒，縱坐標為信號幅值單位毫米。經過互相關分析后的波形，如圖2.14所示，其中橫坐標為時間軸單位秒，縱坐標為信號幅值單位毫米。由圖2.13和圖2.14對比可以看出，經過互相關運算后，信號幅值為輸入信號幅值之積，其信噪比得到提高，有利于漏磁檢測。圖2.13 兩時間段采樣信號圖2.14 經互相關運算后輸出信號由式(2.18)可知，互相關處理結果不包含噪聲的自相關項，而只于有用信號有關，其值為的幅值之積再乘以的自相關項，與時間無關。在漏磁信號檢測中，兩路傳感器采集的均為同一位置處的漏磁信號，理想狀態下（無任何干擾噪聲），兩路信號應完全一致且鋼絲繩無損傷部分信號為零，則其特征值均

36、為同號，即均為正或均為負，經互相關運算后，其值一定大于零，且最大峰值出的時間不會應漏磁信號時間的變化而變化。為驗證這一推斷，做如下仿真。理想狀態下，進行假設的漏磁信號互相關處理仿真。圖2.15、2.16為理想狀態下漏磁信號互相關結果。圖2.15 仿真漏磁信號圖2.16 互相關處理結果圖2.15中仿真鋼絲繩兩處破損的漏磁場信號，經互相關處理后結果為圖2.16所示，處理信號幅度較大，分布規則，且波形相同。變化輸入信號相位，得到以下推斷。對其中一路輸入信號做延遲處理，發現互相關結果中最強信號位置不發生改變，但次強信號位置隨輸入信號位置改變而變化，其相對于最強信號的延時和輸入信號延時成比例。改變輸入信

37、號特征值大小，互相關結果后的信號特征值大小隨之改變，但符號不發生變化。改變輸入信號輸入時間，互相關結果后的信號位置不變。由以上結論可知，在漏磁信號檢測中，鋼絲繩破損位置不會影響處理結果，其結果只和破損程度有關，并且處理后的信號最強特征值表現為鋼絲繩破損所產生的漏磁場信號。因而只需對最強特征值進行判斷即可確定鋼絲繩是否受損。（2）互相關處理提取漏磁信號對一根鋼絲繩進行人為破壞，使其表面出現細縫損傷，細縫寬度與其深度之比約為0.25，對這一鋼絲繩進行漏磁場信號測量，測量信號如圖2.17所示。圖2.17 傳感器輸入信號1圖2.17中，漏磁信號均已被噪聲信號淹沒，無法正確識別。進行互相關處理后，其結果

38、如圖2.18所示。圖2.18 互相關結果從圖中可以清楚地看到：盡管在原信號中，漏磁信號被淹沒在噪聲中，無法直接識別，但經過互相關運算后，鋼絲繩中的損傷被凸顯出來；據此，不僅可以清晰的判別鋼絲繩表面已受損，而且也易于確定損傷位置。另對鋼絲繩做較大范圍表面損壞，但其破損深度較淺，其寬度與其深度之比約為4，檢測數據如圖2.19所示。圖2.19 較大面積破損漏磁信號進行互相關處理，其結果如圖2.20所示。圖2.20 互相關運算結果實驗表明互相關處理對于鋼絲繩破損有較好的運算結果，特別是對表面大面積破損的信號，較為靈敏。但是在使用互相關分析時，要注意如果干擾噪聲中存在相關分量，那么運算后的結果會出現較大

39、錯誤，即信號中的峰值不一定就是鋼絲繩受損位置的漏磁信號，因此要保證互相關處理后的準確性，必須保證采集信號中不包含相關的噪聲信號。在一般情況下，由于環境復雜，所檢測的漏磁信號中，噪聲相關性均較弱，所以相關性較強的諧波分量不會太多，這時，可以考慮采用信號還原的方法，將具有較強相關性的諧波分量去除，在進行互相關處理，從而可得到較好的分析結果。b漏磁信號還原通過以上討論，可得知互相關處理對于漏磁信號有較好的判別能力，但是如果信號中存在相關性較強的諧波分量時，則其互相關結果會出現較大誤差，并且由信號的互相關結果無法直接對鋼絲繩的損傷進行定量判斷，因此可將漏磁信號進行還原，消除其中具有較強相關性的諧波分量

40、以及噪聲，而保持原有信息，這樣不僅可以提高檢測精度而且可以根據信息特征來定量分析鋼絲繩破損程度。利用自相關處理對信號進行還原是基于這樣的原理：對于任何有限長的信號都可以看作是多個諧波分量構成，信號的相關性越差，則構成信號的諧波分量越多。如果能夠確定這些諧波分量的特征，例如頻率、幅值、相位，那么該信號可由這些諧波分量組合而成。通過這一原理，可將檢測的漏磁信號進行信號還原。然而需要注意的是，信號還原后得到的恢復信號，僅僅是原信號的近似值，其精度與被測信號的先驗知識和所使用的估計方法有關，可以根據信號的特點選擇較好的估計方法，提高恢復信號和原信號的相似度。對于疊加了噪聲的信號，用相關法恢復此信號的迭

41、代過程如下。（1）令諧波序號i=1。（2）計算疊加了噪聲的信號的自相關函數。（3）檢查是否有可觀測到的周期性分量，如果有，繼續進行步驟（4）；如果沒有，轉跳步驟（8）。（4）找到中最強的周期性分量，集中注意比較大時的，此時噪聲的自相關函數會足夠小，判別信號的相關參數不會太困難。確定該分量的周期或頻率，這也是會保留在噪聲中的信號的最強的頻率分量的頻率。（5）計算和的互相關函數，從中幾乎是諧波的形式中，估計頻率為的分量的幅度和相位。（6）從中減去該頻率的分量，即令。（7），轉到步驟（2）。（8）結束分析過程，將各頻率分量組合起來恢復被測信號，得 (2.28)信號還原的軟件流程圖如圖2.21所示。圖

42、2.21 相關法恢復諧波分量流程圖由以上分析可知，利用信號還原可以將具有較強相關性的諧波分量從信號中去除，這樣可以提高互相關分析的準確性。同時利用最終的還原信號，可以定量分析信號波形與破損狀態的關系。2.3.4 相關分析的c語言實現在第二章中詳細描述了自相關函數和互相關函數對于微弱信號處理的計算方法，由此可知相關分析處理漏磁場信號是非常有效的方法。這里用c語言實現相關分析的編程，使其可在arm系統中使用。由相關函數定義以及在應用中的實際情況，可得信號自相關函數和互相關函數的估計值分別表示為式（2.29）和式（2.30）。 （2.29） （2.30）軟件流程如圖2.22所示。 圖2.22 互相關

43、算法流程圖3 系統開發工具介紹及調試3.1 ads集成開發環境介紹ads集成開發環境是arm公司推出的arm核微控制器集成開發工具，英文全稱arm developer suite，成熟版本為ads1.2。ads1.2是為嵌入式arm設計的一整套軟件開發工具，發布于2001年12月份，支持arm10之前所有arm系列微控制器，支持軟件調試及jtag硬件仿真調試，支持匯編、c和c+源程序，具有編譯效率高、系統庫功能強等特點，可以在windows xp 等上運行。ads1.2由6部分組成：（1）代碼生成工具，包含arm匯編器，arm的c、c+編譯器，thumb的c、c+編譯器，arm連接器，由cod

44、e warrior ide調用；（2）集成開發環境code warrior ide，實現工程管理和編譯連接；（3）調試器axd，仿真調試，能夠裝載映像文件到目標內存，具有單步、全速和斷點等調試功能，可以觀察變量、寄存器和內存等數據；（4）指令模擬器armulator，由axd調用；（5）arm開發包，包含一些底層的例程和實用程序，由code warrior ide調用；（6）arm應用庫，包含c、c+函數庫等，供用戶程序應用。我們一般應用集成開發環境code warrior ide和調試器axd。3.2工程編輯3.2.1 建立工程 點擊windows操作系統的【開始】【程序】【arm deve

45、loper suite v1.2】【codewarrior for arm developer suite】啟動metrowerks codewarrior；或雙擊“codewarrior for arm developer suite”快捷方式啟動，啟動ads1.2 ide如圖3.1所示。 圖3.1 啟動ads1.2 ide點擊【file】菜單，選擇【new】即彈出new對話框，如圖3.2所示。圖3.2 new對話框mb executable image)，或thumb、arm交織映象(thumb arm interworking image)，然后在【location】項選擇工程存放路徑，

46、并在【project name】項輸入工程名稱，點擊【確定】按鈕即可建立相應工程，工程文件名后綴為mcp（下文有時也把工程稱為項目)。3.2.2 建立文件及添加建立一個文本文件以便輸入用戶程序，點擊“new text file”圖標按鈕，如圖3.3所示。圖3.3 “new text file”圖標按鈕然后在新建的文件中編寫程序，點擊“save”圖標按鈕將文件存盤，輸入文件全名，如test1.s。注意，請將文件保存到相應工程的目錄下，以便于管理和查找。在工程窗口中右鍵點擊【file】菜單，選“add to project”，即可彈出“select files to add”對話框，選擇相應的源文

47、件，點擊【打開】按鈕即可完成添加。如圖3.4所示。 圖3.4 在工程窗口中添加源文件3.2.3 編輯鏈接工程單擊debugrel setting，進行工程的地址設置，輸出文件設置和編譯選項等。單擊make按鈕，可完成編譯連接。如圖3.5所示。圖3.5 工程窗口中圖標按鈕若編譯出錯會有相應的出錯信息，雙擊出錯信息，光標會指向出錯源代碼。3.3 工程調試將easyjtag仿真器驅動程序復制到ads的bin目錄中，仿真器與pc機連接。工程編譯連接通過后，單擊debug按鈕，可啟動axd進行調試。單擊option選擇configure target，彈出對話框，單擊add按鈕添加仿真器的驅動程序，單擊

48、打開即可。選擇調試方式如圖3.6所示。圖3.6 choose target窗口軟件調試：軟件調試是自動控制系統設計的最后階段。軟件調試是否順利進行，直接關系到工程的順利投產，在檢查硬件無誤后，開始調試軟件部分。首先，編譯。通過在ads1.2開發環境中編寫各個模塊程序，編譯，發現許多錯誤，經過不斷的修改后，完成了系統各模塊的編程。然后，各模塊調試。連接好系統硬件，將系統各模塊程序經過jtag下載到控制器中，不斷調試、修改程序，實現各個模塊的功能。最后，系統調試。將修改后系統程序經過jtag下載到控制器中，修改并完善程序，實現系統整體功能。調試工作完成后，將程序經過jtag下載線下載到電路板的主芯

49、片上，并在實驗室實現系統功能。4 漏磁檢測系統的軟件設計4.1軟件設計方法軟件是對現實系統的虛擬實現。根據貝塔朗菲定義，系統是相互聯系、相互作用著的諸元素的集或統一體。常用的編程方法有四種：過程化、模塊化結構化、面向對象以及面向智能體編程方法。對于過程化編程采用自底向上的方法，而其他的方法都采用自頂向下的方法。首先，建立各個模塊、對象、或智能體；再將各個模塊單元連接起來；最后實現各個模塊的功能。a過程化編程方法過程化編程方法是將一個復雜的程序分解為若干個較小的過程，過程與過程之間相互關聯，每個過程單獨編程調試。但在有的程序中，過程聯系緊密，不容易區分。并且這一方法是從程序員的角度去考慮問題，僅

50、僅為了降低編寫難度，并沒有考慮使用者的習慣。b模塊化結構化編程方法模塊化和結構化編程方法有類似之處，都是將復雜的系統分割若干功能模塊或是功能節點。模塊和節點都對應著系統的一部分功能，并且和其他的部分有相互的連接，從而實現整個軟件的功能。但是對于一些較大的系統，這種分解往往會導致大量的模塊或節點，這些模塊和節點之間的連接錯綜復雜，不僅無法使編程簡單化，而且會增大系統功能分析的難度，實際編程中難以實現。c面向對象編程方法面向對象方法認為系統由一系列彼此獨立卻又相互聯系的對象組成，各對象間通過消息傳遞和數據關聯（數據流）來相互聯系，而各對象本身則是一個具有保持一定狀態能力和實施動作能力的實體。它使對

51、象(描述系統的單位)同時具備了靜態和動態的特性。面向對象方法強調對象（即元素）本身的實現方法，而對于對象之間相互聯系和相互作用描述不夠。d面向智能體編程方法即所謂的agent，在信息技術尤其是人工智能和計算機領域，可以看作是能夠通過傳感器感知其環境，并借助于執行器作用于該環境的任何事物。對于軟件agent，則通過編碼位的字符串進行感知和作用。到目前為止。面向智能體編程方法并沒有一個統一的編程規則。目前主要的研究方向主要有兩點：一是圍繞經典人工智能展開，主要研究代理的擬人行為，多代理的協商模型等，其研究方向可分為代理理論，代理體系結構，代理語言，多代理系統等，一些計算機科學家稱之為“智能代理”或

52、是強定義的代理；二是以應用為主，將經典人工智能關于理的強定義弱化，拓寬了代理的應用范圍，新的研究方向主要包括代理界面，基于代理的軟件工程（aose）。以上四種編程方法各有特點，在探討編程方法基礎之上，綜合考慮系統的實際情況，文中提出一種新的軟件構建方法，更適合于本系統的使用，這種方法的特點集合了模塊化編程方法和面向智能體編程方法的優點。不僅使系統具有學習和自適應的特性，而且根據硬件模塊編寫對應軟件，降低編程難度。這種方法的核心思想基于貝塔朗菲系統論，系統是“處于一定的相互關系中并與環境發生關系的各組成部分的總體(或集)”；“要素”是組成系統最小的即不需再細分的單元或成份。“要素”是系統存在的基

53、礎，要素必須按一定方式相互聯系、相互作用才可能構成系統40。在本文所提出的軟件構建方法中，該“要素”被稱為模塊。其模型如圖4.1所示。由圖4.1可以看出，模塊既能保持系統的動態和靜態的開放特性，又具有較好的可修改性和可維護性的適應性。其內部由過程、作用、反饋、知識庫四個部分組成，其外部聯系部分則由輸入、輸出、學習、意識組成。圖4.1 模塊結構模塊工作過程是：當外部輸入進行模塊時，內部過程在知識庫的作用下，這里是由知識庫將系統配置的參數或方法傳遞給過程，由過程運行，并將處理結果進行輸出，然后將結果反饋至知識庫，知識庫將結果分析判斷后，通過意識輸出運行過程的好、壞結果。在這一過程中，知識庫選擇的參

54、數或方法，是固定不變的，相當于靜態過程。知識庫通過學習和反饋的輸出結果來修訂庫內的參數和方法，在下一次運行中，提供給過程經過優化的參數和方法，從而提高模塊的性能，這時對于輸入和輸出的過程相當是一個動態的過程。在系統的持續運行過程中，知識庫不斷得到更新，系統適應性不斷加強，從而減少人為干預，使整個系統更具智能化。這里需要說明的是，本文提出的軟件構建方法中，模塊是有區分的。對于只完成特定功能的稱之為功能模塊，這類模塊一般不具有知識庫，只完成特定功能。而對于功能模塊進行控制及數據調度的這一類模塊稱之為主模塊，由主模塊完成整個系統軟件的統籌管理。4.2軟件設計框圖主模塊可分為三個部分，即初始化程序、管理程序和維護更新程序。初始化程序主要完成各個硬件的初始化、知識庫變量的初始化和過程關系的初始化；管理程序主要功能是，當確定某一任務后，將輸入輸出連接起來；維護更新程序使系統具有自適應性。基于以上內容，可構建系統軟件設計框圖如圖4.2所示。圖4.2 系統軟件設計框圖由系統軟件設計框圖分析，結合硬件功能，可將系統軟件分為時間調度、應用層數據、界面管理程序、采集調度程