基于A(yíng)RM的超聲波發(fā)射與控制電路設計

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高溫、高壓、高速和高負荷已成為現代工業(yè)的重要標志，但它的實(shí)現是建立在材料高質(zhì)量的基礎之上的，為確保這種優(yōu)異的質(zhì)量，必須采用不破壞產(chǎn)品原來(lái)的形狀、不改變其使用性能的檢測方法，對產(chǎn)品進(jìn)行百分之百地檢測，以確保其可靠性和安全性，這種技術(shù)就是無(wú)損檢測技術(shù)。

超聲波檢測在無(wú)損檢測中占據著(zhù)主要地位，廣泛應用于金屬、非金屬材料以及醫學(xué)儀器等領(lǐng)域。近年來(lái)以微電子學(xué)和計算機技術(shù)為基礎的信息技術(shù)飛速發(fā)展，超聲無(wú)損檢測儀器也得到了前所未有的發(fā)展動(dòng)力，為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率，研制數字化、智能化、自動(dòng)化、圖像化的超聲儀是當今無(wú)損檢測領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。而傳統的超聲波檢測儀存在準確性差、精度低、體積大、功耗大、人機界

面不友好等問(wèn)題。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測系統的基礎上，以ARM微控制器為核心，使用C語(yǔ)言編程，方便地實(shí)現了發(fā)射頻率與激勵電壓脈沖幅度的調節。

1 超聲波檢測系統的總體設計結構

基于ARM超聲波檢測系統的總體結構框圖，如圖1所示。該系統主要由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)射電路負責產(chǎn)生激勵脈沖電壓和重復頻率可調的超聲波。接收電路首先將反射回來(lái)的微弱信號經(jīng)放大、濾波等電路處理，然后通過(guò)A／D轉換電路對信號進(jìn)行采集并將采集的信號經(jīng)數據緩沖FIF0送入DSP。

DSP接收由A／D轉換器經(jīng)FIF0緩沖后的數據，主要完成計算結構復雜的信號處理算法，提高超聲探傷儀器的精度和數據處理能力。

ARM處理器主要完成兩部分功能：一是控制功能，調節激勵脈沖的寬度和重復頻率以及放大電路的放大倍數；二是實(shí)現信號的實(shí)時(shí)顯示、存儲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。其內核頻率最高為400 MHz，功耗低，體積小，集成外設多，數據處理能力好，因而可廣泛應用于手持設備等。

2 超聲波發(fā)射電路

根據被測件的材料、厚度等不同條件，所需的相應超聲波探頭的頻率、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時(shí)間不超過(guò)100 ns。根據頻譜分析，激勵脈沖寬度探頭頻率之間存在著(zhù)最佳關(guān)系式，當脈沖寬度滿(mǎn)足這一關(guān)系式時(shí)，接收探頭的接收信號質(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。本設計所選探頭頻率為2．5 MHz，由式(1)確定的脈沖寬度為600 ns，所以放電時(shí)間應盡量控制在600 ns。

超聲波探傷法的種類(lèi)很多，實(shí)際運用中，大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調諧式，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。電路由可調高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲電容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ、快速恢復型二極管VD1、VD2和探頭組成，設二極管等效電阻為R3，開(kāi)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的脈沖，經(jīng)IGBT的驅動(dòng)和保護電路后送入開(kāi)關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當V1為負脈沖時(shí)，IGBT關(guān)斷，高壓電源通過(guò)R1、VD2對電容C充電，充電時(shí)間常數為τ1=C(R1+R3)。當t>5τ1時(shí)，認為電容C充滿(mǎn)。當V1為正脈沖時(shí)，IGBT開(kāi)通，電容C通過(guò)開(kāi)關(guān)管VQ、R2和二極管VD1對探頭放電，放電時(shí)間常數為τl=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負脈沖的激勵后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波。

電路中元件作用：

　　1)電阻R1用來(lái)限制充電時(shí)高壓電源對電容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，電路的重復頻率f較高，為了使電容C在觸發(fā)前能充滿(mǎn)電，就必須滿(mǎn)足CR11／5f。所以要選擇合適的電阻R1的阻值。

　　2)電阻R2有2個(gè)作用：一是調節放電時(shí)間和發(fā)射功率，二是作為阻尼電阻，調節超聲脈沖寬度。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)快速恢復型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖，使A點(diǎn)只有放電時(shí)的負電壓激勵脈沖。

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，激勵脈沖電壓最高可達830 V，脈沖的上升時(shí)間小于50 ns。

3 基于A(yíng)RM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。