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钢轨探伤检测系统的设计与实现

作　者: 金沛锋
导　师: 周炎涛
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 超声波钢轨探伤检测小波消噪 μC/OS-II
分类号: U213.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着科技的发展和人们生活质量的提高，安全快速舒适的铁路运输越来越受到人们的关注。钢轨作为铁路运输的重要支撑，在长期运输过程中不可避免的会产生各种损伤，严重威胁到行车安全。超声波检测作为一种重要的无损检测方式在交通运输、机械制造、航天航空、国防工业等领域已得到了广泛的应用。基于国内现有的超声波检测仪大多采用单CPU来实现，其软件设计复杂、代码的移植和重用性困难、实现代码量大、不便于系统的维护和升级。故本文提出了一种基于ARM与DSP的双CPU便携式超声波钢轨探伤检测系统方案，能够实现钢轨在线的全面探伤，具有重要的理论意义与实际价值。本文的主要研究内容如下：（1）提出了“ARM+DSP”的硬件结构框架和嵌入式μC/OS-II操作系统相结合的设计思想，完成了以TMS320C6713B和STM32F103ZET6为核心的钢轨检测系统的硬件搭建，能够充分利用ARM在控制方面的优势和DSP强大的数据处理能力。（2）改进了超声波发射电路，使之能够成功发射激励脉冲、重复频率和电压幅度可调的超声波；采用全差分电路来驱动A/D采样电路，从而能有效地减少电噪声干扰；利用FIFO作为A/D采样输出与DSP的接口，提高数据的传输效率；采用双口RAM来实现DSP与ARM之间的通信，提高整个系统的性能。（3）采用小波变换来对回波信号进行消噪处理，从而可靠地提取有效信号，实验结果表明小波变换能够大大减少回波信号的噪声；成功移植μC/OS-II操作系统到STM32，并开发了相应的设备驱动程序，对系统进行任务划分，实现任务间的通信与处理。（4）对钢轨探伤检测系统进行了测试，测试系统的水平线性误差和垂直线性误差均达到了设计要求。然后分别完成了对0°、37°、70°探头在WGT-1试块中的测试，实验表明钢轨探伤检测系统能够成功地实现钢轨的缺陷探伤。最后，对本文的工作进行总结并对今后可能的研究方向进行了展望。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景和意义  11-12
  1.2 钢轨探伤检测系统国内外研究现状及发展趋势  12-16
    1.2.1 钢轨探伤检测系统的国内外研究现状  12-15
    1.2.2 钢轨探伤检测系统的发展趋势  15-16
  1.3 论文研究内容及组织结构  16-17
第2章钢轨探伤检测系统的原理与总体设计  17-27
  2.1 钢轨探伤检测系统的原理  17-18
    2.1.1 超声波的基本特性  17
    2.1.2 脉冲反射法的基本原理  17-18
  2.2 多探头钢轨缺陷检测  18-21
    2.2.1 轨头横向裂纹检测  19-21
    2.2.2 螺孔裂纹探测  21
    2.2.3 轨头、轨腰、轨底的其他裂纹检测  21
  2.3 钢轨探伤检测系统的整体设计方案  21-26
    2.3.1 以 DSP 为核心的超声波探伤仪  22
    2.3.2 以 DSP+FPGA 为核心的超声波探伤仪  22-23
    2.3.3 以 CPLD+ARM+DSP 为核心的超声波探伤仪  23-26
  2.4 主要技术指标  26
  2.5 本章小结  26-27
第3章钢轨探伤检测系统的硬件电路设计  27-45
  3.1 发射与接收电路设计  27-32
    3.1.1 发射电路设计  27-29
    3.1.2 接收电路设计  29-32
  3.2 通道切换电路  32-33
  3.3 采样电路模块  33-34
  3.4 DSP 单元电路设计  34-38
    3.4.1 DSP 的选型与特性  34
    3.4.2 DSP 硬件电路设计  34-38
  3.5 ARM 及其外围电路设计  38-43
    3.5.1 ARM 芯片的选型  38-40
    3.5.2 显示电路设计  40-41
    3.5.3 USB 接口  41
    3.5.4 里程测量  41-42
    3.5.5 ARM 和 DSP 接口硬件设计  42-43
  3.6 本章小结  43-45
第4章钢轨探伤检测系统的回波信号处理  45-54
  4.1 算法的选择  45-49
    4.1.1 小波变换理论  45-48
    4.1.2 小波的多分辨分析  48-49
  4.2 小波变换对探伤回波信号进行消噪  49-53
    4.2.1 小波基函数和分解层数的选择  50
    4.2.2 阈值的选择  50-52
    4.2.3 信号的重构  52
    4.2.4 小波变换在 DSP 上的仿真  52-53
  4.3 本章小结  53-54
第5章钢轨探伤检测系统的软件设计  54-65
  5.1 钢轨探伤检测系统的软件平台构建  54-60
    5.1.1 操作系统的选择  54-55
    5.1.2 μC/OS-II 的体系结构  55-56
    5.1.3 μC/OS-II 在 STM32 上的移植  56-60
  5.2 钢轨探伤检测系统的驱动程序设计  60-62
    5.2.1 LCD 驱动程序设计  60-61
    5.2.2 键盘驱动程序设计  61-62
  5.3 ARM 外围程序设计  62-64
    5.3.1 软件启动主程序设计  62-63
    5.3.2 钢轨探伤检测系统的任务划分  63-64
  5.4 本章小结  64-65
第6章钢轨探伤检测系统的测试与分析  65-70
  6.1 系统的现场测试环境构建  65
  6.2 水平线性误差测量与垂直线性误差的测试  65-66
    6.2.1 水平线性误差测试  65-66
    6.2.2 垂直线性误差测试  66
  6.3 0°探头的测试分析  66-67
  6.4 37°探头的测试分析  67-68
  6.5 70°探头的测试分析  68-69
  6.6 本章小结  69-70
总结与展望  70-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文  76-77
附录 B 攻读学位期间参与科研工作情况  77

钢轨探伤检测系统的设计与实现

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