基于STCl2C5410AD單片機的四通道聲發(fā)射信號采集系統設計
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2．3 同步采樣電路
在聲發(fā)射檢測中，判別一個(gè)聲發(fā)射信號是否產(chǎn)生的基本條件之一是聲發(fā)射信號的門(mén)限電壓，當信號高過(guò)聲發(fā)射信號的門(mén)限電壓時(shí)，則認為一個(gè)聲發(fā)射事件產(chǎn)生。在本系統中設置電壓比較器，檢測強烈的聲發(fā)射信號時(shí)，電壓比較器的基準電壓就是聲發(fā)射檢測中的門(mén)限電壓。系統中四路獨立的聲發(fā)射信號經(jīng)過(guò)放大濾波后即可進(jìn)入電壓比較器LM239。LM239有四個(gè)獨立的電壓比較器模塊．當信號進(jìn)入各自的電壓比價(jià)器模塊后，即可與門(mén)限電壓相比較。當信號高于門(mén)限電壓時(shí)，則判定聲發(fā)射信號到來(lái)，此時(shí)電壓比較器的輸出為高。
由于聲波在鋼板中的傳播速度較快(典型的傳播速度為3000 m／s)，如果由一個(gè)中央處理單元控制多個(gè)通道的指令時(shí)間不夠快的話(huà)，就會(huì )造成數據采集的不同步。本文采用“優(yōu)先到達同時(shí)觸發(fā)四路AD同步采集”的設計方案。
在四個(gè)傳感器中，優(yōu)先接收到聲發(fā)射信號的通道亦是優(yōu)先使該通道電壓比較器的輸出為高電平的通道，故可以把此通道的高電平信號同時(shí)送到四個(gè)單片機的外部中斷，然后啟動(dòng)四個(gè)單片機的片內AD同時(shí)對四個(gè)通道的聲發(fā)射信號進(jìn)行采集。這樣就從根本上避免了在程序中由于指令執行時(shí)間以及其它內部因素的延遲影響，對多通道數據采集造成的不同步、采集遺漏或采集不完全等問(wèn)題。其同步采樣電路如圖3所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/173359.htm
2．4 數據通訊
本系統的信號采集通訊部分分為下位機的，SPI多單片機組成的數據交換系統和主控單片機與上位機通訊兩部分。
STCl2C5410AD單片機自帶SPI通訊接口，且內置8位移位寄存器，可保證數據傳輸的準確，并可簡(jiǎn)化電路設計，提高設計的可靠性。
本設計中設置的四個(gè)信號通道中的四個(gè)單片機均為從單片機，它們由主控單片機控制，可通過(guò)從機選擇線(xiàn)來(lái)選擇需要通訊的從單片機。四個(gè)從單片機可公用主機輸入／從機輸出數據線(xiàn)MISO、主機輸出／從機輸入數據線(xiàn)MOSI、以及時(shí)鐘SPICLK總線(xiàn)。同時(shí)它們可將采集的數據保存在各自從單片機的寄存器中，以便主控可以利用SPI總線(xiàn)取出各個(gè)從單片機中的數據，這樣就由SPI總線(xiàn)構成了一個(gè)數據交換系統。
與上位機的通訊可采用串口通訊的方式，并通過(guò)串口通訊設計把計算機與單片機聯(lián)系起來(lái)，然后將采集的數據按通道次序傳輸到計算機中，
最后由上位機發(fā)口令，再由主控單片機將采集的數據按通道次序傳輸到計算機中。
3 實(shí)驗與仿真
聲發(fā)射的信號可采用硬度為HB的鉛筆芯折斷的信號進(jìn)行模擬。鉛筆直徑西為0．5 mm，其鉛芯伸出長(cháng)度約為2．5 mm，與鋼板表面夾角為30°左右。
聲發(fā)射信號來(lái)自缺陷本身，同樣大小和性質(zhì)的缺陷，由于所處的位置和應力的狀態(tài)不同，所以它的聲發(fā)射信號也會(huì )有差別。實(shí)驗中，在固定傳感器位置不變的情況下，在同一個(gè)點(diǎn)多次將鉛筆芯折斷，觀(guān)察信號的狀態(tài)，最終選擇了聲發(fā)射模擬信號出現較為頻繁的情況作為聲發(fā)射模擬信號的狀態(tài)，本文采用STC12C5410AD單片機，它是具有8個(gè)lO位100 ksps的AD，完全滿(mǎn)足采樣定理，而且片內自帶SPI總線(xiàn)，故可進(jìn)行多通道聲發(fā)射信號采集系統的試驗。
試驗采用壓電陶瓷片作為聲發(fā)射信號傳感器，因此具有結構簡(jiǎn)單、輕巧、靈敏度高等特點(diǎn)。壓電陶瓷對外力敏感，并可將極其微弱的機
械振動(dòng)轉換成電信號。
針對聲發(fā)射信號的特點(diǎn)，本實(shí)驗選擇的基板材料為黃銅，諧振頻率為20 kHz，電容量為20 nF的壓電陶瓷片作為聲發(fā)射模擬信號的換能器，可以滿(mǎn)足鉛筆芯折斷信號的接收要求。
本實(shí)驗選擇了兩通道的數據采集，在厚度為10 mm的鋼板上又間隔的分布了兩個(gè)傳感器，然后折斷鉛筆芯，并在上位機分別選擇通道一和通道二，再將兩個(gè)通道的數據分別上傳到上位機，并利用MATLAB將采集的數據表示成波形。這樣，就可以看出聲發(fā)射模擬信號的幅值隨時(shí)間的變化有所衰減，從而證明了彈性波在傳播過(guò)程中的能量衰減。同時(shí)，在傳感器2的位置還出現了彈性波的干涉現象，這正是彈性波的縱波和橫波相繼到達換能器2所造成的。圖4所示是信號采集的波形仿真圖。
4 結束語(yǔ)
本文根據聲發(fā)射的特點(diǎn)，利用聲發(fā)射的聲源定位方法，提出了一種多通道數據信號采集系統的設計方法。通過(guò)大量實(shí)驗證明，本設計具有數據傳輸快、定位準確等特點(diǎn)，能夠達到聲源定位的要求。
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