基于DSP56F805的便攜式多功能超聲波檢測系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：超聲探傷；超聲測距；DSP；便攜式檢測儀
引言
無損檢測在工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，超聲波檢測是無損檢測的主要方法之一，主要應(yīng)用在測距、探傷、測厚等領(lǐng)域。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點，可產(chǎn)生較大能量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會反射。利用該特性，可以實現(xiàn)超聲測距和超聲探傷。超聲波檢測具有靈敏度高、穿透力強、檢驗速度快、方便、對人體無損害和易于做到實時控制等優(yōu)點。
圖1 系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)框圖及電路分析
系統(tǒng)框圖如圖1所示。
超聲波發(fā)射電路
信號發(fā)射部分包括發(fā)射電路和探頭。探頭由超聲波換能器組成，可以是收發(fā)同體的換能器，也可以是發(fā)射和接收分開的。本電路采用的是收發(fā)分開的探頭，這樣可以減少發(fā)射余震信號的影響，即可減小盲區(qū)。針對測距和探傷對超聲波頻率要求不同，探頭可以更換。
發(fā)射電路產(chǎn)生激勵探頭發(fā)射超聲波所需的高壓窄脈沖，不同探頭要求的諧振頻率不同，所以要求激勵脈沖寬度可調(diào)。發(fā)射電路如圖2所示，先由DSP提供寬度可調(diào)的低壓脈沖，再由發(fā)射電路轉(zhuǎn)換成高壓脈沖加到換能器上。發(fā)射電路的阻尼情況由R0決定。R0小，阻尼大，發(fā)射脈沖強度低；R0大，阻尼就小，發(fā)射強度高。
信號接收電路
超聲回波信號非常微弱，一般是毫伏級，所以必須放大，為了與超聲波換能器的高阻抗匹配，前置放大器也設(shè)計成高阻抗輸入。在探頭和前置放大器之間加一級衰減器是為了防止由于某些原因，回波電壓過大，容易對儀器造成損害。濾波電路設(shè)計成帶通濾波，由于探頭的頻率范圍比較寬，不同探頭發(fā)射頻率不同，所以要求帶通濾波的中心頻率可調(diào)，由DSP來控制。這一級要求高信噪比和高品質(zhì)因數(shù)，經(jīng)過帶通濾波器后，回波信號得到放大，而其它噪聲被削弱，同時，為下一級的程控放大提供了具有更高信噪比的輸入信號。程控放大器主要是針對測距的遠近兩檔來設(shè)計的，由于換能器發(fā)射能量一定，當(dāng)測量近距離時，回波信號能量大，這時接收器放大倍數(shù)應(yīng)該小些，而測量遠距離時，回波信號能量小，接收放大倍數(shù)就應(yīng)該大些。程控放大器由DSP來控制放大倍數(shù)，使得測距時遠近兩檔放大后的信號幅值保持在一個數(shù)量級。另外，在探傷時，不同的介質(zhì)對超聲波能量的衰減也不同，可通過手動或自動方式來調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，以達到回波信號的正確接收和顯示。
信號采樣和顯示電路
顯示探傷回波信號時有兩種顯示方式，一種是直接顯示回波聲壓波形的射頻顯示(即不檢波顯示)，另一種是經(jīng)過檢波的回波聲壓波形的視頻顯示(即檢波顯示)。
射頻顯示信號直接由程控放大器進入A/D采樣電路，射頻顯示能比較真實地反映出超聲波脈沖在介質(zhì)中的傳播情況，有利于分析回波的波形特征，并且為進一步的數(shù)字信號處理以判別缺陷的性質(zhì)及材質(zhì)的變化奠定了基礎(chǔ)。由于缺陷回波尖峰脈沖很窄，所以A/D轉(zhuǎn)換電路要求有較高的采樣速率。本系統(tǒng)選用的高速ADC為MAXIM公司的MAX1426，MAX1426為10位單通道輸入ADC，轉(zhuǎn)換速率為10Msps，輸入電壓范圍為-2V~+2V，供電電壓為4.75V~5.25V。
圖2 發(fā)射電路
視頻顯示則顯示波形的包絡(luò)，圖形比較清晰，這有利于信號峰值采樣，能夠確定缺陷當(dāng)量，同時可通過門限檢測來判斷缺陷的位置。兩路信號由模擬開關(guān)來控制。測距時，信號檢波后直接送到門限檢測。門限檢測主要是為了對信號進行峰值采樣，設(shè)置一個門檻，防止非回波信號進入DSP，這一步對測距和定位缺陷信號非常重要。
幅度門限主要是為回波信號設(shè)置一個幅度門檻，該門限由比較器構(gòu)成，比較器一端輸入回波信號，另一端輸入由回波信號經(jīng)過衰減及加上一直流信號后得到的信號，即為門檻信號，只有高于門檻值的信號才能引起比較器的輸出。第二級脈寬門限是一時間門檻，設(shè)置該門限主要是考慮到信道中的各種干擾及電路中的噪聲經(jīng)過放大后幅度變大，有的甚至超過回波信號的幅度，這時，單有幅度門限是不夠的。脈寬門限由一觸發(fā)器構(gòu)成，通過幅度門限的信號只有脈寬達到設(shè)定的寬度才能通過第二門限進入DSP。
顯示模塊采用EL場致顯示屏來顯示儀器的功能菜單以及各個測量結(jié)果，包括距離、面積、體積、缺陷位置、回波波形和回波頻譜圖等。該模塊要求實時顯示測量結(jié)果，并且針對便攜式儀器的特點，該部分應(yīng)滿足低功耗要求。
數(shù)據(jù)存儲電路
數(shù)據(jù)存儲器用來存儲回波信號數(shù)據(jù)，為64K×16bit的Flash存儲器，最大可擴展為128K×16bit。數(shù)據(jù)存儲的目的是為了保存測量結(jié)果，以便日后查看，可以用波形顯示。同時可以將存儲的回波數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送到上位機，由PC來保存和處理，發(fā)送過程由鍵盤控制。
人機接口電路
智能化儀器設(shè)計中，人機交互是必不可少的。通過按鍵，操作人員可以輸入測量過程需要的一些參數(shù)，可以控制儀器開關(guān)和運行、數(shù)據(jù)的保存發(fā)送、顯示和處理等?？紤]到DSP56F805的I/O口資源有限，本系統(tǒng)采用了串行鍵盤接口控制器來控制鍵盤的操作。
DSP控制接口電路
DSP是整個系統(tǒng)的核心部分，控制整個電路的運行，并能夠進行比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算。DSP56F805集成了Motorola 的16位定點DSP微控制器內(nèi)核DSP56800。DSP56F805具有32K×16bit的程序Flash，4K×16bit的數(shù)據(jù)Flash，有512×16bit的程序RAM和2K×16bit的數(shù)據(jù)RAM，可外部擴展64K×16bit的數(shù)據(jù)存儲器和64K×16bit的程序存儲器。該系列處理器具有豐富的I/O口，有14個專用的I/O引腳和18個復(fù)用引腳，每個引腳可獨立地被配置位輸入、輸出或中斷觸發(fā)。DSP56F805支持7優(yōu)先級共64個中斷源。另外該芯片還集成了異步串行通信模塊、同步串行通信模塊、控制局域網(wǎng)模塊、2個脈沖調(diào)制模塊、4個定時器和8路12位ADC等多種外設(shè)模塊。
測距時，回波信號經(jīng)過接收電路的處理，經(jīng)門限檢測后輸出為一脈沖信號，該信號觸發(fā)DSP中斷，利用DSP內(nèi)部定時器，計算出超聲波所經(jīng)過時間和待測距離。
探傷時，DSP觸發(fā)發(fā)射電路的同時，允許A/D采樣，并將采樣數(shù)據(jù)保存，同時，通過顯示屏將波形實時地顯示出來。另外回波信號通過門限檢測后送入DSP中斷輸入引腳，如在界面回波到達之前有回波信號，則表明物體有缺陷，通過觸發(fā)中斷，計算出缺陷位置，并且在顯示屏上顯示缺陷位置值。由于根據(jù)回波的頻譜圖能進一步判明缺陷的性質(zhì)，所以DSP還增加了FFT功能，將采集的回波時域數(shù)據(jù)變換到頻域，并保存和顯示，這部分由鍵盤來控制。
在超聲波檢測技術(shù)中，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是一個重要參數(shù)，它的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到測量精度。超聲波傳播速度與傳播介質(zhì)有關(guān)，測距時，傳播介質(zhì)是空氣，聲速利用公式331.4+0.607 T(m/s)得到，T由溫度傳感器可得。探傷時，聲速則隨被測工件的材質(zhì)不同而不同，這就需要在每次檢測不同的工件時，先測量超聲波在該工件中的傳播速度。測量方法是先制作一已知厚度的相同材質(zhì)的試塊，根據(jù)試塊兩底面反射回波的時間差計算出聲速，并保存在Flash中，這一步由系統(tǒng)自動完成，如果不改變被測工件，則不需再次測量。
電源模塊
電源模塊為整個系統(tǒng)供電。基于便攜式檢測儀器的要求，系統(tǒng)采用電池供電，能夠輸出幾組正負(fù)電源，同時，該模塊還帶有充電功能。
軟件流程
上電開始，首先對顯示屏進行初始化，然后等待按鍵輸入，系統(tǒng)設(shè)置了3分鐘的待機時間，如果在設(shè)定的時間內(nèi)沒有操作系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉顯示，進入低功耗模式。如有按鍵，則進入相應(yīng)的功能模塊，完成相應(yīng)的操作。系統(tǒng)共分五個功能模塊：測距、探傷、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)發(fā)送和介質(zhì)聲速測定。所有功能模塊都可以由用戶通過鍵盤按鍵來控制運行與結(jié)束，系統(tǒng)狀態(tài)和測量結(jié)果實時地在顯示屏上顯示出來。
結(jié)語
該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動測距、自動判傷和實時顯示功能，并且利用測距原理，系統(tǒng)還增加了對規(guī)則物體的體積和面積的測量功能。該系統(tǒng)的特點
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