《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM的PWM模塊的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
摘要: 近年來以微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展,,超聲無損檢測(cè)儀器也得到了前所未有的發(fā)展動(dòng)力,,為了提高檢測(cè)的可靠性和提高檢測(cè)效率,,研制數(shù)字化,、智能化、自動(dòng)化,、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),。而傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)儀存在準(zhǔn)確性差、精度低,、體積大,、功耗大、人機(jī)界面不友好等問題,。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,,以ARM微控制器為核心,使用C語言編程,,方便地
關(guān)鍵詞: ARM PWM 超聲波 DSP
Abstract:
Key words :

近年來以微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展,,超聲無損檢測(cè)儀器也得到了前所未有的發(fā)展動(dòng)力,為了提高檢測(cè)的可靠性和提高檢測(cè)效率,,研制數(shù)字化,、智能化、自動(dòng)化,、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),。而傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)儀存在準(zhǔn)確性差、精度低,、體積大,、功耗大、人機(jī)界面不友好等問題。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,,以ARM微控制器為核心,,使用C語言編程,方便地實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻率與激勵(lì)電壓脈沖幅度的調(diào)節(jié),。

1 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

基于ARM超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖,,如圖1所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成:超聲波前端發(fā)射接收電路,、DSP和ARM處理器,。

 

 

  超聲波前端發(fā)射電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵(lì)脈沖電壓和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波。接收電路首先將反射回來的微弱信號(hào)經(jīng)放大,、濾波等電路處理,,然后通過A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并將采集的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖FIF0送入DSP。

  DSP接收由A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)FIF0緩沖后的數(shù)據(jù),,主要完成計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的信號(hào)處理算法,提高超聲探傷儀器的精度和數(shù)據(jù)處理能力,。

  ARM處理器主要完成兩部分功能:一是控制功能,,調(diào)節(jié)激勵(lì)脈沖的寬度和重復(fù)頻率以及放大電路的放大倍數(shù);二是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)以及和外部的通信等功能,。ARM微處理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微處理器S3C2440A,。其內(nèi)核頻率最高為400 MHz,功耗低,,體積小,,集成外設(shè)多,數(shù)據(jù)處理能力好,,因而可廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備等,。

  2 超聲波發(fā)射電路

  根據(jù)被測(cè)件的材料、厚度等不同條件,,所需的相應(yīng)超聲波探頭的頻率,、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz,,高壓激勵(lì)脈沖一般為幾十到幾百伏,,脈沖的上升時(shí)間不超過100 ns。根據(jù)頻譜分析,,激勵(lì)脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關(guān)系式,,當(dāng)脈沖寬度滿足這一關(guān)系式時(shí),接收探頭的接收信號(hào)質(zhì)量最好,。該關(guān)系式即為:

  

 

  式中,,f0為探頭頻率,2a為脈沖寬度。本設(shè)計(jì)所選探頭頻率為2.5 MHz,,由式(1)確定的脈沖寬度為600 ns,,所以放電時(shí)間應(yīng)盡量控制在600 ns。

  超聲波探傷法的種類很多,,實(shí)際運(yùn)用中,,大部分選用脈沖反射法,其發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式,,超聲波發(fā)射電路如圖2所示,。電路由可調(diào)高壓電源、電阻R1和R2,、能量存儲(chǔ)電容C,、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ、快速恢復(fù)型二極管VD1,、VD2和探頭組成,,設(shè)二極管等效電阻為R3,開關(guān)等效電阻為R4,。ARM微處理器的PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖,,經(jīng)IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路后送入開關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當(dāng)V1為負(fù)脈沖時(shí),,IGBT關(guān)斷,,高壓電源通過R1、VD2對(duì)電容C充電,,充電時(shí)間常數(shù)為τ1=C(R1+R3),。當(dāng)t>5τ1時(shí),認(rèn)為電容C充滿,。當(dāng)V1為正脈沖時(shí),,IGBT開通,電容C通過開關(guān)管VQ,、R2和二極管VD1對(duì)探頭放電,,放電時(shí)間常數(shù)為τl=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負(fù)脈沖的激勵(lì)后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波,。

  

 

  電路中元件作用:

  1)電阻R1用來限制充電時(shí)高壓電源對(duì)電容C的充電電流,,即起到限流作用,并減小發(fā)射單元工作時(shí)對(duì)電源的影響,,從這點(diǎn)考慮,,要求電阻R1阻值越大越好。另一方面,,電路的重復(fù)頻率f較高,,為了使電容C在觸發(fā)前能充滿電,就必須滿足CR1<1/5f。所以要選擇合適的電阻R1的阻值,。

  2)電阻R2有2個(gè)作用:一是調(diào)節(jié)放電時(shí)間和發(fā)射功率,,二是作為阻尼電阻,調(diào)節(jié)超聲脈沖寬度,。R2的阻值越小,,發(fā)射功率越小,發(fā)射脈沖越窄;R2阻值越大,,發(fā)射功率越大,,發(fā)射脈沖越寬。

  3)快速恢復(fù)型二極管Vd1,、Vd2濾去充電脈沖,,使A點(diǎn)只有放電時(shí)的負(fù)電壓激勵(lì)脈沖。

  充電時(shí),,電流i與電壓UR的關(guān)系式如式(2)~式(3)所示,。

  

所研制的電路板可激發(fā)探頭產(chǎn)生0.5~10 MHz的超聲波,激勵(lì)脈沖電壓最高可達(dá)830 V,,脈沖的上升時(shí)間小于50 ns,。

  3 基于ARM的PWM脈沖的產(chǎn)生

  ARM嵌入式處理器是具有極低功耗、極低成本的高性能處理器,,運(yùn)算速度快、精度高,,而且便于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植,,真正成為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時(shí)器,,占空比,、頻率、極性可編程,,且具有自動(dòng)重載和雙緩沖功能,。主頻FCLK最高達(dá)400M-Hz,APB總線設(shè)備使用的PCLK最高達(dá)68 MHz,。具體過程為:首先,,開啟自動(dòng)重載功能,對(duì)PWM脈沖的各個(gè)參數(shù)通過PWM寄存器進(jìn)行設(shè)置,,如定時(shí)器配置寄存器(TCFGn),,定時(shí)器控制寄存器(TCON),定時(shí)器計(jì)數(shù)緩存寄存器(TCNTBn),,定時(shí)器比較緩存寄存器(TCMPBn),,定時(shí)器計(jì)數(shù)觀察計(jì)數(shù)器(TCNTOn)等的設(shè)置。其次,設(shè)置相應(yīng)定時(shí)器的手動(dòng)更新位,,然后設(shè)置開始位,,在等待時(shí)間后定時(shí)器開始倒計(jì)數(shù),當(dāng)TCNTn和TCMPn的值相同時(shí),,TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦?。?dāng)TCNTn為0,TCNTn用TCNTBn的值自動(dòng)重載,。如果要重新設(shè)置TCNTn的初始值,,則要執(zhí)行手動(dòng)更新。

  通過使用TCMPBn來執(zhí)行PWM功能,,PWM的頻率由TCNTBn來決定,。雙緩沖功能允許對(duì)下個(gè)PWM周期在當(dāng)前PWM周期任意時(shí)間點(diǎn)由ISR或其他程序改寫TCMPBn。

  4 高壓電源及其控制

  超聲波發(fā)射電路對(duì)激勵(lì)電壓脈沖要求較高,,需要一定的幅值,,而且脈沖寬度要求越小越好,且須有一定的發(fā)射功率,,這決定了超聲波探傷的靈敏度,,還關(guān)系到工件探傷的深度。如果要穿透較厚的工件,,就需將較大的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率,。發(fā)射功率為:

  

 

  式中,uA0為電容放電時(shí)的瞬間電壓,,C為電容容量,,t為放電時(shí)間,

為有效功率,。

 

  當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)確定后,,放電時(shí)間和C即確定。所以加大發(fā)射電壓是提高發(fā)射功率的主要途徑,,由放電電壓公式可知,,除電路中的各個(gè)電阻影響外,高壓電源的電壓是一個(gè)主要因素,。但電壓又不能太高,,否則會(huì)使壓電晶片加速老化。一般發(fā)射電壓不超過1 800 V,。

  這里采用美國(guó)Ultravoh公司的高壓電源模塊,。其中“V”系列的型號(hào)為1V12-P0.4電源模塊,能完全滿足該設(shè)計(jì)的需求,,其輸入電壓為12 V,,輸出電壓為0~1 000 V,,控制電壓為0~5 V,功率為0.4 W,。低功耗,、體積小、重量輕,,并帶有輸出電壓監(jiān)測(cè)和自保護(hù)電路,。高壓電源控制電路如圖3所示。

  

 

  ARM微處理器輸出的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可輸出0~5 V的控制信號(hào)V2,,相應(yīng)的高壓電源模塊即可輸出0~1 000 V的電壓,。

  5 仿真及分析

  為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)是否能滿足實(shí)驗(yàn)的需要,對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真,。因?yàn)閠=5τ1,,約為500μs時(shí)認(rèn)為充電電容充滿,所以把開關(guān)頻率設(shè)置為1kH-z,。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示,。

  

 

  圖4中,高壓電源輸出為725V,,R1=10 kΩ,,R2=100 Ω,C=0.01μF,,得到的激勵(lì)脈沖約為600 V,,寬度為600 ns。此脈沖滿足本設(shè)計(jì)中超聲波頻率為2.5 MHz時(shí),,探頭對(duì)激勵(lì)脈沖寬度的要求,。

  圖5中,當(dāng)高壓電源輸出最大為1 000 V,,R1=10 kΩ,R2=100 Ω,,C=0.01μF時(shí),,得到的激勵(lì)脈沖約為830 V,寬度為600 ns,。

  由于帶充電電阻器的高壓直流電源效率不是很高,,所以激勵(lì)脈沖的電壓也不能達(dá)到高壓電源的電壓。通過ARM微處理器發(fā)射不同頻率和占空比的控制脈沖,,可以控制發(fā)射電路發(fā)射寬度和重復(fù)頻率可調(diào)的激勵(lì)脈沖,。

  6 結(jié)論

  通過對(duì)發(fā)射電路工作原理以及各個(gè)元件作用的分析,得出了各個(gè)元件對(duì)超聲波所起的不同作用,,以及ARM的PWM模塊如何對(duì)激勵(lì)脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)制,。經(jīng)驗(yàn)證,。該電路發(fā)射的超聲波功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào),。能滿足多種檢測(cè)需求,。

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