1 引言
    在鋼絲繩探傷檢測中，要實現(xiàn)檢測傳感器到存儲器的數(shù)據(jù)交換。USB移動存儲器具有攜帶方便、操作快捷、成本低廉等優(yōu)點。隨著其技術(shù)的發(fā)展及廣泛應用，如何實現(xiàn)使用單片機控制來完成移動存儲這一過程成為了工控領域研究的熱點。
2 USB功能模塊簡介
2.1模塊概述
   USB[1]是—種查詢(Polling)總線，由主控制器啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸。USB上所掛連的外設通過由主機調(diào)度的(Host-Scheduled)和基于令牌的(Token-Based)協(xié)議來共享USB帶寬。目前，絕大多數(shù)Host功能角色被集成在各種類型的PC機（或以上層次機器）上。各種各樣的基于USB 的移動設備，包括USB 移動存儲器、帶USB 接口的數(shù)碼相機等都集成USB Slave功能角色。這樣，就導致這些作為USB Slave 的USB 接口的數(shù)字設備無法應用于嵌入式系統(tǒng)中。解決這一問題的根本辦法就是在需要使用USB 設備的嵌入式系統(tǒng)中集成USB Host 功能模塊，使之具有與USB Slave設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α６鳰emMaster[2]模塊就具有這種功能。
     MemMaster 作為 USB 系統(tǒng)中的 Host 設備，帶有一個 Root HUB，可供用戶接入作為 Slave 的USB 移動存儲器。該 MemMaster 模塊遵守 USB 1.1 協(xié)議規(guī)范，支持所有基于 USB 的移動存儲器，支持 FAT12、FAT16 文件系統(tǒng)。MemMaster 模塊可以模塊的方式，通過總線集成到用戶的數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中，以提供用戶將獲得的數(shù)據(jù)通過該模塊以文件的形式保存在移動存儲器中，以便需要時在 PC 機中進行處理。
      MemMaster在集成到用戶系統(tǒng)中后，表現(xiàn)為用戶系統(tǒng)的一個外部雙端口RAM。用戶系統(tǒng)通過向該外部RAM的指定區(qū)域?qū)懭朊詈拖鄳臄?shù)據(jù)，來控制MemMaster模塊的操作，并且從指定區(qū)域讀出響應和相應的數(shù)據(jù)來獲得MemMaster模塊提供的服務。通過這樣的方式，雙方實現(xiàn)協(xié)議交互。
2.2 硬件配置
       MemMaster支持 USB 1.1 標準，最大寫入速率達100KB/s（與測試環(huán)境有關），輸入電壓 5V，工作電流 100mA（不包括USB 移動存儲器）。INTR 引腳作為從 RAM 到單片機的中斷信號，BUSYR 作為 RAM 的工作信號，SEMR 作為同步信號，CER 作為片選信號，其他引腳在此不做詳述。
2.3 接口使用
       MemMaster 通過雙端口 RAM，直接通過總線與用戶的單片機系統(tǒng)相連。因此，就用戶單片機系統(tǒng)而言，MemMaster 表現(xiàn)為一個外置的 RAM，而該 RAM 中的部分區(qū)域不能使用、部分區(qū)域被用作協(xié)議命令和數(shù)據(jù)的交互，剩余的部分可以由用戶自行控制使用。在雙端口 RAM 中，區(qū)域分配如下：
0x0000-0xF8F區(qū)域已經(jīng)被系統(tǒng)占用；
0x5F80-0x5FBF共64字節(jié)用于存放系統(tǒng)命令；
0x5FC0-0x5FFF共64字節(jié)用于存放系統(tǒng)響應；
0x6000-0xDFFF共32768字節(jié)用于存放數(shù)據(jù)部分；
0xE000-0xFFFD為用戶系統(tǒng)可使用區(qū)域；
0xFFFE-0xFFFF兩個字節(jié)被用作系統(tǒng)協(xié)議交互指示，用戶不可用于數(shù)據(jù)存放。
      用戶系統(tǒng)與 MemMaster 系統(tǒng)的協(xié)議交互命令包括2種類型：Command 和 Response。Command 由用戶系統(tǒng)發(fā)往 MemMaster 系統(tǒng)，而 Response 為相反方向，由 MemMaster 發(fā)往用戶系統(tǒng)。具體的實施在第四節(jié)中有介紹。[!--empirenews.page--]
3  系統(tǒng)設計
3.1 系統(tǒng)工作原理
      現(xiàn)在，鋼絲繩的應用越來越廣泛，為了保護人身和財產(chǎn)安全，鋼絲繩探傷檢測儀器也隨之發(fā)展起來。目前，鋼絲繩探傷檢測多以PC機作為檢測數(shù)據(jù)的接收和存儲器件，但是這樣成本高、攜帶不方便。在此，運用MemMaster模塊實現(xiàn)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)存儲到移動存儲器就克服了這些缺點，提高了系統(tǒng)的性價比。系統(tǒng)的工作原理描述如下：檢測傳感器開始工作時，輸出脈沖信號作為控制電路的同步信號，同時檢測鋼絲繩的三路參數(shù)數(shù)據(jù)（模擬信號）。當控制電路獲得同步信號后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，取得轉(zhuǎn)換結(jié)果，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理后，判斷是否有斷絲發(fā)生，如果有則報警。同時把數(shù)據(jù)寫入移動存儲器中在控制電路上電時就建好的文件中，以便將來分析處理。
3.2 系統(tǒng)配置
     在此，A/D轉(zhuǎn)化器件采用的是MAX186[3]，MAXl86將8通道模擬開關、大帶寬跟蹤／保持電路、12位A／D轉(zhuǎn)換器和移位寄存器集成到一片20腳雙列直插芯片上，消除了傳輸誤差，提高了采樣精度和轉(zhuǎn)換精度。它體積小、轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換精度高、功耗低、用5V單電源或 V雙電源供電，模擬輸入可由軟件設置為單或雙極性和單端或差分兩種輸入轉(zhuǎn)換方式。它的SCLK引腳作為時鐘信號輸入， 作為片選信號輸入，DIN作為串行信號輸入，DOUT作為串行信號輸出。
      在系統(tǒng)上電時，需要創(chuàng)建接收文件，文件的創(chuàng)建時間由DS1302[4]提供。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，具有主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。它的I/O引腳作為數(shù)據(jù)輸入輸出， 作為復位信號輸入，SCLK作為時鐘信號輸入。
     單片機采用的是華邦公司的W78E58B[5]，它是8位單片機，內(nèi)含32KB Flash／EEPROM，其引腳功能與8051系列單片機完全兼容。系統(tǒng)連接圖如圖1所示。
4  軟件設計
    為了使各部分硬件電路按一定順序進行工作，在單片機的程序存儲器中固化了用C51編寫的應用程序，包括系統(tǒng)初始化程序、時間參數(shù)獲取程序、文件創(chuàng)建程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、報警分析程序、數(shù)據(jù)寫入程序。軟件采用模塊化設計方式，將各個功能分成獨立的模塊。其中，A/D轉(zhuǎn)換程序放在中斷程序中。程序流程圖如圖2所示。
4.1 報警算法分析
     鋼絲繩斷絲檢測信號為疊加于噪聲背景上的局部區(qū)域的異常信號。為了能夠?qū)嘟z進行報警，首先應從檢測信號中將它分離出來。根據(jù)報警的實時處理要求，提取斷絲檢測信號的方法應簡潔，花費的運算時間短，占據(jù)的內(nèi)存空間小。下面給出一種峰峰值超限法。
    峰峰值超限法利用局部異常信號波形的峰谷差值特征進行斷絲檢測信號的提取。從信號波形來看，檢測信號是由大量的局部波峰和波谷構(gòu)成的，在檢測信號的每一微小的局部均將存在著一個完整的峰谷波形信號。峰峰值定義為某一局部峰谷波形信號的峰值與谷值之差的絕對值，當某一局部峰谷波形信號的峰峰值超過門限時，則認為是局部異常波形信號。在基于聚磁的鋼絲繩斷絲檢測中，檢測信號波形是一個完整的局部峰谷波形，這是由斷絲斷口漏磁場的分布決定的，且當選擇好聚磁器的結(jié)構(gòu)和檢測元件的布置位置時，斷絲檢測信號將是單一的正峰信號，且信號的峰峰值比鄰近的信號波形大得多，因此很容易用峰峰值超限法提取。
     設vn，n=0，1，2，3，4，為5個連續(xù)的局部極值點，在程序中我們判斷：當( (v[1]-v[2])>3*(v[1]-v[0]))&&((v[3]-v[2])>3*(v[3]-v[4]) )&&(v[0]-v[2]>26)&&(v[4]-v[2]>26)時，報警。
4.2 USB數(shù)據(jù)存儲程序設計
    在接口使用中已經(jīng)介紹了用戶系統(tǒng)與MemMaster系統(tǒng)的協(xié)議交互命令包括2種類型：Command和Response，下面就來具體說明一下Command/Response消息。
         Command/Response消息用于在用戶系統(tǒng)或MemMaster系統(tǒng)將要發(fā)出的Command或Response及相應數(shù)據(jù)準備好后，通過對方（MemMaster或用戶系統(tǒng)）Command或Response已經(jīng)準備完畢，可以開始執(zhí)行的消息。該消息通過向雙口RAM的0xFFFE或0xFFFF地址寫/讀數(shù)據(jù)來完成。該消息通過中斷方式來實現(xiàn)，即：對用戶系統(tǒng)而言，當向0xFFFE寫入數(shù)據(jù)時，即為通知MemMaster有命令待執(zhí)行。當系統(tǒng)進入中斷程序確定時，說明MemMaster端已經(jīng)完成了命令，并將響應準備好，可以進入下一步操作。這時，從0xFFFF即清除了該中斷。目前系統(tǒng)定義，向0xFFFE寫入和從0xFFFF讀出的值都是0x01。參考代碼如下[6]：
#define DPRAMRInt ((char*)0xFFFF)
#define DPRAMLInt ((char*)0xFFFE)
#define SEND_SYSCMD *DPRAMLInt = 0x01
void service_int1() interrupt 0 /*外部中斷0*/
{
 bRecvResp = *DPRAMRInt;
}
下面給出文件創(chuàng)建函數(shù)來說明用戶系統(tǒng)與MemMaster系統(tǒng)是如何實現(xiàn)Command消息傳送的（Response消息類似）。
void CreateFile(unsigned char nm)           /*nm用于判斷文件是否存在*/
{
CreateFileCmdPkg* crCmdPkg;
/* CreateFileCmdPkg為創(chuàng)建命令包，包括創(chuàng)建命令的各個屬性*/
    crCmdPkg=(CreateFileCmdPkg*)Command;
MemSet((char*)crCmdPkg,0,64);
MemSet(crCmdPkg->FileName,0x20,8);
crCmdPkg->CommandCode=SYS_CREATE_FILE;
/* SYS_CREATE_FILE為創(chuàng)建命令碼*/
    crCmdPkg->FileName[0]=’T’;[!--empirenews.page--]
crCmdPkg->FileName[1]='A'+nm;
/* FileName為文件名*/
 crCmdPkg->ExtensionName[0]='S';
 crCmdPkg->ExtensionName[1]='H';
 crCmdPkg->ExtensionName[2]='J';
    /* ExtensionName為后綴名*/
 crCmdPkg->FileAttr=0x20;
 crCmdPkg->CreateTime[0]=min;
 crCmdPkg->CreateTime[1]=hour;
    /* CreateTime為創(chuàng)建時間*/
 crCmdPkg->CreateDate[0]=date;
 crCmdPkg->CreateDate[1]=year;
    /* CreateDate為創(chuàng)建日期*/
    /* min、hour、date、year是由DS1302提供的數(shù)據(jù)計算而得*/
 crCmdPkg->Option=0x00;
 bRecvResp = 0;
 SEND_SYSCMD;                             /*發(fā)送Command消息*/
 cs_ram=1;                                /*取消雙口RAM片選*/
 Delayms(10);
 while(!bRecvResp);                       /*判斷雙口RAM是否收到消息*/
 cs_ram=0;                                /*片選*/
}
    5  實驗結(jié)果分析
     鋼絲繩檢測系統(tǒng)是通過對被測鋼絲繩進行磁化，用敏感元件檢測鋼絲繩斷絲處的泄漏磁場，以此判斷有無斷絲，再通過計算機以及相應的軟件，對此漏磁場的波形進行分析，進一步判斷斷絲的數(shù)量，并通過光電編碼器確定相應斷絲的位置。在實驗中選取一根 24（6 7）結(jié)構(gòu)的鋼絲繩樣繩，并在指定位置做出斷絲，實驗分兩組，每組50次，用該套系統(tǒng)進行測定，實驗分析結(jié)果如表1所示。

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    通過表1（負號表示漏判，正號表示錯判）的分析計算表明：當要求無錯判時（錯檢斷絲根數(shù)為0），斷絲定量準判率為95%；當允許錯判1根時（錯檢斷絲根數(shù)為-1，0，1），斷絲定量準判率為100%，因此，符合工況要求。同時，報警系統(tǒng)也對斷絲進行了實時報警。
6  結(jié)論
   鋼絲繩檢測系統(tǒng)要求的檢測速度為每秒0~2000個數(shù)據(jù)，本套裝置完全可以勝任，同時保證了測量的精度。該裝置可以按指定的格式存入數(shù)據(jù)，并且動態(tài)的檢測移動存儲器中是否有同名的文件，并自動添加文件，可以在無人工干預的情況下實現(xiàn)多次檢測，使用起來極為方便。同時，報警系統(tǒng)可以對斷絲進行實時報警，方便了實時處理。
該裝置把USB標準應用到了鋼絲繩檢測體系中去，適應了計算機的發(fā)展潮流，具有攜帶方便、操作快捷、成本低廉、存儲容量大等優(yōu)點，效果良好，應用前景廣闊。