基于A(yíng)RM的PWM模塊的超聲波檢測系統方案設計

　　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，運算速度快、精度高，而且便于實(shí)時(shí)操作系統的移植，真正成為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統。S3C2440A內嵌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400M-Hz，APB總線(xiàn)設備使用的PCLK最高達68 MHz。具體過(guò)程為：首先，開(kāi)啟自動(dòng)重載功能，對PWM脈沖的各個(gè)參數通過(guò)PWM寄存器進(jìn)行設置，如定時(shí)器配置寄存器(TCFGn)，定時(shí)器控制寄存器(TCON)，定時(shí)器計數緩存寄存器(TCNTBn)，定時(shí)器比較緩存寄存器(TCMPBn)，定時(shí)器計數觀(guān)察計數器(TCNTOn)等的設置。其次，設置相應定時(shí)器的手動(dòng)更新位，然后設置開(kāi)始位，在等待時(shí)間后定時(shí)器開(kāi)始倒計數，當TCNTn和TCMPn的值相同時(shí)，TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦?。當TCNTn為0，TCNTn用TCNTBn的值自動(dòng)重載。如果要重新設置TCNTn的初始值，則要執行手動(dòng)更新。

　　通過(guò)使用TCMPBn來(lái)執行PWM功能，PWM的頻率由TCNTBn來(lái)決定。雙緩沖功能允許對下個(gè)PWM周期在當前PWM周期任意時(shí)間點(diǎn)由ISR或其他程序改寫(xiě)TCMPBn。

　　4 高壓電源及其控制

　　超聲波發(fā)射電路對激勵電壓脈沖要求較高，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。

　　當放電時(shí)間常數確定后，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(guò)1 800 V。

　　這里采用美國Ultravoh公司的高壓電源模塊。其中“V”系列的型號為1V12-P0.4電源模塊，能完全滿(mǎn)足該設計的需求，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，并帶有輸出電壓監測和自保護電路。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經(jīng)D/A轉換后可輸出0～5 V的控制信號V2，相應的高壓電源模塊即可輸出0～1 000 V的電壓。

　　5 仿真及分析

　　為驗證本設計是否能滿(mǎn)足實(shí)驗的需要，對電路進(jìn)行軟件仿真。因為t=5τ1，約為500μs時(shí)認為充電電容充滿(mǎn)，所以把開(kāi)關(guān)頻率設置為1kH-z。仿真結果如圖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，得到的激勵脈沖約為600 V，寬度為600 ns。此脈沖滿(mǎn)足本設計中超聲波頻率為2.5 MHz時(shí)，探頭對激勵脈沖寬度的要求。

　　圖5中，當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，所以激勵脈沖的電壓也不能達到高壓電源的電壓。通過(guò)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)射寬度和重復頻率可調的激勵脈沖。

　　6 結論

　　通過(guò)對發(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)元件對超聲波所起的不同作用，以及ARM的PWM模塊如何對激勵脈沖寬度和重復頻率進(jìn)行調制。經(jīng)驗證。該電路發(fā)射的超聲波功率、脈沖寬度和重復頻率均可調。能滿(mǎn)足多種檢測需求。