基于DSP56F805的便攜式多功能超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

摘  要：本文介紹了一種基于DSP56F805的A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法。著重介紹了利用DSP56F805、超聲波換能器及外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距和超聲波探傷功能，討論并實(shí)踐了該系統(tǒng)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：超聲探傷；超聲測(cè)距；DSP；便攜式檢測(cè)儀

引言
    無(wú)損檢測(cè)在工程領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣，超聲波檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一，主要應(yīng)用在測(cè)距、探傷、測(cè)厚等領(lǐng)域。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大能量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。利用該特性，可以實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)距和超聲探傷。超聲波檢測(cè)具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、方便、對(duì)人體無(wú)損害和易于做到實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖1   系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖及電路分析
系統(tǒng)框圖如圖1所示。
超聲波發(fā)射電路
    信號(hào)發(fā)射部分包括發(fā)射電路和探頭。探頭由超聲波換能器組成，可以是收發(fā)同體的換能器，也可以是發(fā)射和接收分開(kāi)的。本電路采用的是收發(fā)分開(kāi)的探頭，這樣可以減少發(fā)射余震信號(hào)的影響，即可減小盲區(qū)。針對(duì)測(cè)距和探傷對(duì)超聲波頻率要求不同，探頭可以更換。

    發(fā)射電路產(chǎn)生激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波所需的高壓窄脈沖，不同探頭要求的諧振頻率不同，所以要求激勵(lì)脈沖寬度可調(diào)。發(fā)射電路如圖2所示，先由DSP提供寬度可調(diào)的低壓脈沖，再由發(fā)射電路轉(zhuǎn)換成高壓脈沖加到換能器上。發(fā)射電路的阻尼情況由R0決定。R0小，阻尼大，發(fā)射脈沖強(qiáng)度低；R0大，阻尼就小，發(fā)射強(qiáng)度高。

信號(hào)接收電路
    超聲回波信號(hào)非常微弱，一般是毫伏級(jí)，所以必須放大，為了與超聲波換能器的高阻抗匹配，前置放大器也設(shè)計(jì)成高阻抗輸入。在探頭和前置放大器之間加一級(jí)衰減器是為了防止由于某些原因，回波電壓過(guò)大，容易對(duì)儀器造成損害。濾波電路設(shè)計(jì)成帶通濾波，由于探頭的頻率范圍比較寬，不同探頭發(fā)射頻率不同，所以要求帶通濾波的中心頻率可調(diào)，由DSP來(lái)控制。這一級(jí)要求高信噪比和高品質(zhì)因數(shù)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，回波信號(hào)得到放大，而其它噪聲被削弱，同時(shí)，為下一級(jí)的程控放大提供了具有更高信噪比的輸入信號(hào)。程控放大器主要是針對(duì)測(cè)距的遠(yuǎn)近兩檔來(lái)設(shè)計(jì)的，由于換能器發(fā)射能量一定，當(dāng)測(cè)量近距離時(shí)，回波信號(hào)能量大，這時(shí)接收器放大倍數(shù)應(yīng)該小些，而測(cè)量遠(yuǎn)距離時(shí)，回波信號(hào)能量小，接收放大倍數(shù)就應(yīng)該大些。程控放大器由DSP來(lái)控制放大倍數(shù)，使得測(cè)距時(shí)遠(yuǎn)近兩檔放大后的信號(hào)幅值保持在一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，在探傷時(shí)，不同的介質(zhì)對(duì)超聲波能量的衰減也不同，可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)方式來(lái)調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，以達(dá)到回波信號(hào)的正確接收和顯示。

信號(hào)采樣和顯示電路
    顯示探傷回波信號(hào)時(shí)有兩種顯示方式，一種是直接顯示回波聲壓波形的射頻顯示(即不檢波顯示)，另一種是經(jīng)過(guò)檢波的回波聲壓波形的視頻顯示(即檢波顯示)。
射頻顯示信號(hào)直接由程控放大器進(jìn)入A/D采樣電路，射頻顯示能比較真實(shí)地反映出超聲波脈沖在介質(zhì)中的傳播情況，有利于分析回波的波形特征，并且為進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理以判別缺陷的性質(zhì)及材質(zhì)的變化奠定了基礎(chǔ)。由于缺陷回波尖峰脈沖很窄，所以A/D轉(zhuǎn)換電路要求有較高的采樣速率。本系統(tǒng)選用的高速ADC為MAXIM公司的MAX1426，MAX1426為10位單通道輸入ADC，轉(zhuǎn)換速率為10Msps，輸入電壓范圍為-2V~+2V，供電電壓為4.75V~5.25V。

圖2  發(fā)射電路

    視頻顯示則顯示波形的包絡(luò)，圖形比較清晰，這有利于信號(hào)峰值采樣，能夠確定缺陷當(dāng)量，同時(shí)可通過(guò)門(mén)限檢測(cè)來(lái)判斷缺陷的位置。兩路信號(hào)由模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制。測(cè)距時(shí)，信號(hào)檢波后直接送到門(mén)限檢測(cè)。門(mén)限檢測(cè)主要是為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值采樣，設(shè)置一個(gè)門(mén)檻，防止非回波信號(hào)進(jìn)入DSP，這一步對(duì)測(cè)距和定位缺陷信號(hào)非常重要。

    幅度門(mén)限主要是為回波信號(hào)設(shè)置一個(gè)幅度門(mén)檻，該門(mén)限由比較器構(gòu)成，比較器一端輸入回波信號(hào)，另一端輸入由回波信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減及加上一直流信號(hào)后得到的信號(hào)，即為門(mén)檻信號(hào)，只有高于門(mén)檻值的信號(hào)才能引起比較器的輸出。第二級(jí)脈寬門(mén)限是一時(shí)間門(mén)檻，設(shè)置該門(mén)限主要是考慮到信道中的各種干擾及電路中的噪聲經(jīng)過(guò)放大后幅度變大，有的甚至超過(guò)回波信號(hào)的幅度，這時(shí)，單有幅度門(mén)限是不夠的。脈寬門(mén)限由一觸發(fā)器構(gòu)成，通過(guò)幅度門(mén)限的信號(hào)只有脈寬達(dá)到設(shè)定的寬度才能通過(guò)第二門(mén)限進(jìn)入DSP。

    顯示模塊采用EL場(chǎng)致顯示屏來(lái)顯示儀器的功能菜單以及各個(gè)測(cè)量結(jié)果，包括距離、面積、體積、缺陷位置、回波波形和回波頻譜圖等。該模塊要求實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，并且針對(duì)便攜式儀器的特點(diǎn)，該部分應(yīng)滿足低功耗要求。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)回波信號(hào)數(shù)據(jù)，為64K×16bit的Flash存儲(chǔ)器，最大可擴(kuò)展為128K×16bit。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的目的是為了保存測(cè)量結(jié)果，以便日后查看，可以用波形顯示。同時(shí)可以將存儲(chǔ)的回波數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送到上位機(jī)，由PC來(lái)保存和處理，發(fā)送過(guò)程由鍵盤(pán)控制。

人機(jī)接口電路
    智能化儀器設(shè)計(jì)中，人機(jī)交互是必不可少的。通過(guò)按鍵，操作人員可以輸入測(cè)量過(guò)程需要的一些參數(shù)，可以控制儀器開(kāi)關(guān)和運(yùn)行、數(shù)據(jù)的保存發(fā)送、顯示和處理等?？紤]到DSP56F805的I/O口資源有限，本系統(tǒng)采用了串行鍵盤(pán)接口控制器來(lái)控制鍵盤(pán)的操作。

DSP控制接口電路
    DSP是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，控制整個(gè)電路的運(yùn)行，并能夠進(jìn)行比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。DSP56F805集成了Motorola 的16位定點(diǎn)DSP微控制器內(nèi)核DSP56800。DSP56F805具有32K×16bit的程序Flash，4K×16bit的數(shù)據(jù)Flash，有512×16bit的程序RAM和2K×16bit的數(shù)據(jù)RAM，可外部擴(kuò)展64K×16bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K×16bit的程序存儲(chǔ)器。該系列處理器具有豐富的I/O口，有14個(gè)專(zhuān)用的I/O引腳和18個(gè)復(fù)用引腳，每個(gè)引腳可獨(dú)立地被配置位輸入、輸出或中斷觸發(fā)。DSP56F805支持7優(yōu)先級(jí)共64個(gè)中斷源。另外該芯片還集成了異步串行通信模塊、同步串行通信模塊、控制局域網(wǎng)模塊、2個(gè)脈沖調(diào)制模塊、4個(gè)定時(shí)器和8路12位ADC等多種外設(shè)模塊。

    測(cè)距時(shí)，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)接收電路的處理，經(jīng)門(mén)限檢測(cè)后輸出為一脈沖信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)DSP中斷，利用DSP內(nèi)部定時(shí)器，計(jì)算出超聲波所經(jīng)過(guò)時(shí)間和待測(cè)距離。

    探傷時(shí)，DSP觸發(fā)發(fā)射電路的同時(shí)，允許A/D采樣，并將采樣數(shù)據(jù)保存，同時(shí)，通過(guò)顯示屏將波形實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。另外回波信號(hào)通過(guò)門(mén)限檢測(cè)后送入DSP中斷輸入引腳，如在界面回波到達(dá)之前有回波信號(hào)，則表明物體有缺陷，通過(guò)觸發(fā)中斷，計(jì)算出缺陷位置，并且在顯示屏上顯示缺陷位置值。由于根據(jù)回波的頻譜圖能進(jìn)一步判明缺陷的性質(zhì)，所以DSP還增加了FFT功能，將采集的回波時(shí)域數(shù)據(jù)變換到頻域，并保存和顯示，這部分由鍵盤(pán)來(lái)控制。

    在超聲波檢測(cè)技術(shù)中，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)重要參數(shù)，它的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到測(cè)量精度。超聲波傳播速度與傳播介質(zhì)有關(guān)，測(cè)距時(shí)，傳播介質(zhì)是空氣，聲速利用公式331.4+0.607 T(m/s)得到，T由溫度傳感器可得。探傷時(shí)，聲速則隨被測(cè)工件的材質(zhì)不同而不同，這就需要在每次檢測(cè)不同的工件時(shí)，先測(cè)量超聲波在該工件中的傳播速度。測(cè)量方法是先制作一已知厚度的相同材質(zhì)的試塊，根據(jù)試塊兩底面反射回波的時(shí)間差計(jì)算出聲速，并保存在Flash中，這一步由系統(tǒng)自動(dòng)完成，如果不改變被測(cè)工件，則不需再次測(cè)量。

電源模塊
    電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電。基于便攜式檢測(cè)儀器的要求，系統(tǒng)采用電池供電，能夠輸出幾組正負(fù)電源，同時(shí)，該模塊還帶有充電功能。

軟件流程
    上電開(kāi)始，首先對(duì)顯示屏進(jìn)行初始化，然后等待按鍵輸入，系統(tǒng)設(shè)置了3分鐘的待機(jī)時(shí)間，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有操作系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉顯示，進(jìn)入低功耗模式。如有按鍵，則進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊，完成相應(yīng)的操作。系統(tǒng)共分五個(gè)功能模塊：測(cè)距、探傷、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)發(fā)送和介質(zhì)聲速測(cè)定。所有功能模塊都可以由用戶通過(guò)鍵盤(pán)按鍵來(lái)控制運(yùn)行與結(jié)束，系統(tǒng)狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)地在顯示屏上顯示出來(lái)。

結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)判傷和實(shí)時(shí)顯示功能，并且利用測(cè)距原理，系統(tǒng)還增加了對(duì)規(guī)則物體的體積和面積的測(cè)量功能。該系統(tǒng)的特點(diǎn)