一種基于CPLD的超聲波測(cè)厚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了超聲波測(cè)犀以及用CPLD來實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制與數(shù)據(jù)處理的原理，并著重介紹了一些具體的處理方法。通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量誤差小等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：超聲波；CPLD；測(cè)厚

0 引言
    在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中，常常需要在無損條件下測(cè)出工件的厚度，從而確定是否符合設(shè)計(jì)要求。目前，鋼板是鋼材的四大品種(板、管、型、絲)之一，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、海上石油平臺(tái)、大型輪船等工程項(xiàng)目中，其厚度直接關(guān)系著這些工程項(xiàng)目的安全性和可靠性，在鋼板測(cè)厚方面，超聲波無損測(cè)厚方法將得到廣泛應(yīng)用。

1 超聲測(cè)厚的原理
    超聲測(cè)厚的基本原理是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性來發(fā)現(xiàn)材料缺陷和壁厚，脈沖反射式測(cè)厚法實(shí)質(zhì)上是測(cè)量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時(shí)間。
    超聲波測(cè)量按工作原理分，有共振法、干涉法及脈沖回波法等幾種。由于脈沖回波法不涉及共振機(jī)理，與被測(cè)物表面的光潔度關(guān)系不密切，所以超聲脈沖回波法也是應(yīng)用比較廣泛的一種，其原理用超聲波探頭向被測(cè)物體發(fā)出超聲脈沖，此超聲脈沖便在被測(cè)物體內(nèi)傳播，傳播至被測(cè)物體的底面時(shí)反射，反射回來的超聲波又被超聲波探頭接收，這樣，從超聲波探頭發(fā)出超聲脈沖到超聲波探頭接收到反射脈沖所用的時(shí)間t可通過電路精確地檢測(cè)出來，在t時(shí)間內(nèi)超聲波在被測(cè)物體內(nèi)完成了一個(gè)往返，如圖1所示。如果被測(cè)物體的厚度用d表示，超聲波的總行程就是2d，由于聲波在某一物體內(nèi)傳播的速度c是常數(shù)，所以被測(cè)物體的厚度可由下式算出：d=vt／2。式中：d-被測(cè)物體厚度；v-超聲波速度；t-超聲波從管射到接收回波的時(shí)間。

    超聲波傳感器分發(fā)射器和接收器兩部分，超聲波傳感器按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，最常用的是壓電式傳感器。
    壓電式超聲波傳感器探頭的核心為壓電晶片，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，其振動(dòng)頻率在幾百千赫以上，當(dāng)它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，若電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。

2 超聲波測(cè)厚系統(tǒng)電路總體結(jié)構(gòu)及工作原理
    超聲波測(cè)厚系統(tǒng)模塊的主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)超聲波信號(hào)，將超聲波信號(hào)放大后加載到超聲波探頭上，超聲波探頭帶動(dòng)被測(cè)物體發(fā)生共振，然后將得到的數(shù)據(jù)采樣并且峰值保持，然后送給信號(hào)處理模塊，因此它是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分，是實(shí)現(xiàn)將檢測(cè)信息娩出，得到良好超聲波回波信息的關(guān)鍵所在。
    本超聲波測(cè)厚系統(tǒng)模塊主要由觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路，發(fā)射接收放大電路，放大檢波電路，采樣峰值保持電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示電路和CPLD運(yùn)算及控制電路等構(gòu)成。其電路構(gòu)成設(shè)計(jì)如圖2：

    當(dāng)通電開始測(cè)厚時(shí)，由CPU(中央處理器)發(fā)出測(cè)厚同步信號(hào)，觸發(fā)發(fā)射電路，使直探頭產(chǎn)生超聲波入射至工件，當(dāng)超聲波返回探頭時(shí)，首先經(jīng)過衰減，然后放大檢波取樣，所得厚度時(shí)間方波經(jīng)積分保持器送ADC574模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換之后送CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并顯示之12864液晶顯示模塊。

3 軟件程序設(shè)計(jì)
    軟件程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，系統(tǒng)軟件是根據(jù)本儀器的功能而設(shè)計(jì)的，在主程序中，首先進(jìn)行初始化，在初始化中完成設(shè)置堆棧指針，定義顯示單元，設(shè)置顯示緩沖區(qū)地址，顯示數(shù)據(jù)地址，然后讀開關(guān)量，根據(jù)手動(dòng)開關(guān)的要求轉(zhuǎn)入校正，探傷或測(cè)厚處理程序，若以上三種情況都不是，則使得數(shù)碼管上顯示為零，最后返回讀開關(guān)量。

4 測(cè)厚程序設(shè)計(jì)
    由于本系統(tǒng)采用的是12位輸出的ADC574模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以可保證很高的測(cè)厚精度，本系統(tǒng)超聲測(cè)厚儀采用VerilogHD編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理模塊門，它的CPLD軟件實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示，測(cè)量的過程如下。

    (1)儀器上電，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，CPU首先對(duì)CPLD進(jìn)行初始化，使計(jì)數(shù)器及鎖存器清零，CPLD等待CPU的發(fā)射請(qǐng)求。
    (2)若接收到CPU的發(fā)射請(qǐng)求，CPLD產(chǎn)生一個(gè)幾百納秒的觸發(fā)信號(hào)，開通高壓電路，激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。根據(jù)測(cè)厚儀1～300 mm的測(cè)量范圍，采用軟件自帶的一個(gè)16位計(jì)數(shù)器即可涵蓋所需要的測(cè)量范圍。如果CPLD的資源比較緊張，還可以用VerilogHDL語言設(shè)計(jì)一個(gè)合適位數(shù)的計(jì)數(shù)器(例如12位計(jì)數(shù)器)，以達(dá)到合理利用資源的效果。
    (3)如果CPLD在合理的時(shí)間內(nèi)未接收到回波信號(hào)，則回波有效標(biāo)志位為0，鎖存器里的數(shù)據(jù)無效，CPU不讀取。當(dāng)CPLD接收到回波信號(hào)時(shí)，還需對(duì)接收的回波信號(hào)做寬度檢測(cè)，僅當(dāng)回波寬度在合理范圍內(nèi)，才認(rèn)為是有效的，回波寬度檢測(cè)是為了避免由于探頭藕合不良而引起讀數(shù)不準(zhǔn)確的情況。
    (4)CPLD檢測(cè)到有效回波時(shí)，鎖存回波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間、回波的前沿及后沿等相關(guān)信息，回波有效標(biāo)志位置1，CPU讀取所需的信息。值得注意的是，在超聲測(cè)厚儀回波的數(shù)據(jù)采集中，只檢測(cè)回波的前、后沿，根據(jù)對(duì)稱性計(jì)算出其中點(diǎn)，而不必花費(fèi)更多的資源計(jì)算其峰值。這樣做使儀器的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，體積更小巧，功耗也較低。本程序進(jìn)行連續(xù)采集256次數(shù)據(jù)累加求厚度的平均值，再進(jìn)行十六進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，顯示出十進(jìn)制的厚度值。

5 結(jié)束語
    超聲測(cè)厚儀中應(yīng)用低功耗CPLD，可降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性，縮小設(shè)計(jì)的物理體積，靈活性更好，而且在滿足測(cè)量精度的前提下，大大降低了儀器整體的靜態(tài)功耗。本系統(tǒng)的結(jié)論：
    (1)本系統(tǒng)探頭及測(cè)厚不受工件形狀厚薄限制，靈敏度高。
    (2)本系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到如下數(shù)值：
    探傷靈敏度余量>=46 dB；
    垂直線性誤差<=5％；
    水平線性誤差<=1％；
    衰減精度每12 dB±0．6；
    分辯率>=22 dB；
    動(dòng)態(tài)范圍>=32 dB；
    測(cè)厚精度0．05 mm。