基于ARM ＆Windows CE的錨桿無損檢測系統軟件設計

孫曉云，楊 陽，劉東輝，邸樹綱

（1.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；2.重慶大學西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室，重慶 400030；3.石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，河北石家莊 050043；4.河北高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066001）

基于ARM ＆Windows CE的錨桿無損檢測系統軟件設計

孫曉云1，2，3，楊 陽1，劉東輝1，邸樹綱4

（1.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；2.重慶大學西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室，重慶 400030；3.石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，河北石家莊 050043；4.河北高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066001）

設計了一款基于ARM ＆Windows CE及FFT算法的錨桿無損檢測系統，介紹了硬件電路設計方法，包括信號采集模塊、A／D轉換模塊、液晶顯示模塊、電源模塊；在軟件設計中，完成了Windows CE操作系統的定制以及應用程序設計，并對設計方法和數據FFT分析方法進行了闡述。

ARM；Windows CE；無損檢測；FFT

隨著錨桿錨固技術在礦業、建筑業等領域的廣泛應用，對錨桿安裝質量的檢測是工程中需要解決的一個關鍵問題［1］。目前常用的檢測方法為無損檢測，且錨桿檢測儀多基于8位單片機系統，運行速度緩慢、界面也不美觀。針對上述問題，筆者在深入研究ARM技術和Windows CE 5.0操作系統的基礎上，設計研發了基于ARM ＆Windows CE的錨桿質量檢測儀。該設計充分利用了Windows CE操作系統的多任務性、多線程、實時性等優點，使數據采集后的FFT的數據分析更加快捷，具有體積小、能耗低、操作界面友好等優點。

1 系統結構總體設計

系統整體結構如圖1所示。該檢測系統包括信號采集與放大模塊、A／D轉換模塊、串行口通信接口電路、USB接口、LCD顯示屏等部分組成。信號采集利用的是壓電式速度傳感器，具有高靈敏度和寬頻帶等特點，諧振頻率為40kHz，接收端使用強磁與錨桿端面固定，并用凡士林等密封耦合使之接觸緊密；數模轉換芯片精度為18位，時間測量精度為10μs；在核心芯片基礎上針對用戶和現場需求，顯示終端采用液晶顯示屏。系統開發板如圖2所示。

2 硬件電路設計

2.1 S3C2440A簡介

S3C2440A微處理器采用了由Advanced RISC Machines公司設計的16／32位ARM920T的RISC處理器。CPU主頻為400MHz，最高達到553MHz。系統時鐘源為12MHz無源晶振。S3C2440A支持64MB SDRAM存儲和32bit數據總線，SDRAM時鐘頻率可達100MHz，同時具有16位定時器5個。系統的電源支持為3.3V直流供電。

2.2 信號采集模塊

信號采集通過傳感器與錨桿平滑的桿頭由耦合劑進行密封黏合，用金屬錘敲擊錨桿桿頭進行信號的采集，數據通過A／D轉換電路傳到ARM芯片處理器中。傳感器采用帶有強磁性的SD1409型三分量傳感器接收測試信號，其諧振頻率約為40kHz。SD1409型三分量傳感器的電荷靈敏度為3.0pC／ms－2，其頻率為0.3～4kHz，且具有3個方向上測振的特點。

2.3 A／D轉換模塊

本設計采用內部集成的8通道10位A／D模數轉換器，轉換功能支持片上采樣和數據保持，并支持掉電模式，在2.5MHz的A／D轉換器時鐘下，最大轉換速率可達到500Kbit／s。信號采集時，傳感器的直徑在錨桿直徑之內，它的頻率響應為10Hz～50kHz，筆者選擇的傳感器諧振頻率為40kHz。采集信號利用開發板自帶的音頻MIC聲卡錄入模塊將應力波信號載入A／D模塊。

2.4 液晶顯示模塊

由S3C2440A的LCD控制器對液晶顯示屏進行控制。該屏支持黑白、256色，分辨率最高可達1 024× 768像素。通過使用液晶屏可以將采集到的信號波形的頻率和波速錨桿長度等參數實時顯示出來，提供一個直觀、友好的顯示界面。

2.5 系統電源與復位模塊

本系統的電源包括：外圍電路電壓為5V；S3C2440A內核電壓為1.8V；I／O端口電壓為3.3V。使用LM1117－1.8V芯片將5V直流穩壓電源轉化為1.8V供內核使用，使用LM1117－3.3V芯片將5V直流穩壓電源轉化為3.3V供I／O端口及其他電路使用。系統電源電路、復位電路如圖3、圖4所示。

3 軟件設計

圖5 系統軟件模塊示意圖Fig.5 Overall architecture of the software

本軟件是一款基于Visual Studio 2008和嵌入式Windows CE平臺的手持信號測試程序，實現對傳感器接收到的振動進行實時數據采集、波形顯示、FFT處理、參數計算、頻譜分析等，同時具有數據實時保存功能。系統軟件模塊示意圖如圖5所示。

軟件具備以下功能。

1）實時采集數據和參數調整。包括采樣的啟動與結束，對采樣點、采樣頻率等參數的控制。

2）具有方便快捷的用戶操作平臺。軟件能快速的啟動和停止，能夠與PC機進行通信。

3）具有友好的圖形用戶界面，包括波形顯示和參數設置界面，可以直觀地顯示波形的變化和各種參數變化后的圖形。根據各個界面的功能不同顯示的界面也不同。

4）采集數據分析處理及其保存管理。數據的管理主要是將復雜數據包按各種分類分別存儲和進行數據的分析處理，主要是FFT計算和特征參數的計算。本系統由于是采集的錨桿振動應力波信號，要對這些振動信號進行有效分析、特征提取等操作，需要對其進行時域和頻域上的相關分析。

軟件開發平臺采用Visual Studio 2008編程環境。圖形顯示程序包括時域波形顯示、頻域波形顯示，雖然函數和計算方法不同，但都是利用Visual Studio 2008提供的集成編譯環境的VB.NET［2］。

系統定制界面如圖6所示。

在Windows CE平臺上進行圖形繪制，需要各種圖形繪制工具。Graphics是System.Drawing命名空間中的一個很重要的核心繪圖類，這個類提供繪制圖形所需的各種相關方法［3］。軟件界面如圖7所示。

4 FFT信號分析

傅里葉變換方法作為經典的信號分析方法，在數字信號處理領域得到了廣泛的應用。快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法。基于FFT的信號捕獲方法就是利用蝶形因子的周期性等相關特性代替大量復雜的復數運算［4－5］。因此，在捕獲方法的選擇過程中，FFT運算處理起到了至關重要的作用，提高FFT的運算速度，減少運算量，對于提高信號捕獲速度存在直接影響。在本軟件設計過程中利用基于FFT［6］時間抽取算法對采集的信號進行1 024點的快速傅里葉變換如圖8所示。

圖8 分析截圖FFTFig.8 Screenshots of FFT analysis

5 結 語

與傳統的錨桿有損檢測方法相比，基于ARM的錨桿無損檢測設備在體積上具有很大優勢，集成度高，功能強大，利用Visual Studio 2008開發的程序在Windows CE環境中運行流暢，集信號采集、數據分析和波形顯示于一體，具有運算速度快、存儲空間大的優點，且利用FFT分析方法，使得采集信號的提取速度和噪音濾除都能達到實時運算、即時得出結果的水平。

［1］ 張永興，陳建功.缺陷錨桿振動問題的數學模型及其求解［J］.地下空間與工程學報（Chinese Journal Underground Space and Engineering），2005，1（1）：63－64.

［2］ STEPHENS R.Visual Basic 2008編程參考手冊［M］.徐燕華譯.北京：清華大學出版社，2009.

［3］ 楊 寧，王立德，王蘇敬，等.基于ARM ＆WinCE車載顯示終端的開發［J］.機車電傳動（Electric Drive for Locomotive），2010（1）：45－48.

［4］ 趙 琳，高帥和，丁繼成.基于FFT的高動態GPS信號捕獲方法優化［J］.系統工程與電子技術（Journal of Systems Engineering and Electronics），2011，33（1）：32－39.

［5］ 吳向葵，王宏遠.基于FFT的便攜式頻譜監測儀的研制［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［6］ 王曉君，陳 禾，羅躍東.一種EW接收機信號處理系統的設計與實現方法［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2007，28（1）：144－146.

Software design of non－destructive detecting of rockbolts based on ARM ＆Windows CE

SUN Xiao－yun1，2，3，YANG Yang1，LIU Dong－hui1，DI Shu－gang4
（1.College of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Control Engineering of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400030，China；3.College of Electrical and Electronics Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China；4.Jing Qin Highway Management Office，Hebei Highway，Qinhuangdao Hebei 066001，China）

Rockbolt non－destructive detecting system is designed based on ARM，Windows CE operating system and FFT.In hardware design，the signal acquisition module，A／D conversion module，LCD module and the power module are introduced respectively.In software design，the Windows CE operating system is customized and the program is designed.FFT and the design method are introduced.

ARM；Windows CE；non－destructive detecting；FFT

TM93

A

1008－1542（2012）03－0244－04

2011－10－11；責任編輯：李 穆

國家自然科學基金資助項目（50874035）

孫曉云（1971－），女，河北石家莊人，教授，博士，主要從事無損檢測和智能信息處理技術方面的研究。