采用ARM的PWM模塊的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)淺析

發(fā)布時(shí)間：2016-09-02  點(diǎn)擊次數(shù)：人次  分享：

采用ARM的PWM模塊的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)淺析

　　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)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。

　　

　

　　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。 

　　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。

 

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