一種基于CPLD的超聲波測厚系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了超聲波測犀以及用CPLD來實現(xiàn)測量控制與數(shù)據(jù)處理的原理，并著重介紹了一些具體的處理方法。通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，系統(tǒng)能實時地測量數(shù)據(jù)，具有硬件結構簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。
關鍵詞：超聲波；CPLD；測厚

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

1 超聲測厚的原理
超聲測厚的基本原理是利用超聲波在介質中的傳播特性來發(fā)現(xiàn)材料缺陷和壁厚，脈沖反射式測厚法實質上是測量超聲波脈沖在材料中的往返傳播時間。
超聲波測量按工作原理分，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理，與被測物表面的光潔度關系不密切，所以超聲脈沖回波法也是應用比較廣泛的一種，其原理用超聲波探頭向被測物體發(fā)出超聲脈沖，此超聲脈沖便在被測物體內傳播，傳播至被測物體的底面時反射，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間t可通過電路精確地檢測出來，在t時間內超聲波在被測物體內完成了一個往返，如圖1所示。如果被測物體的厚度用d表示，超聲波的總行程就是2d，由于聲波在某一物體內傳播的速度c是常數(shù)，所以被測物體的厚度可由下式算出：d=vt／2。式中：d-被測物體厚度；v-超聲波速度；t-超聲波從管射到接收回波的時間。

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，利用壓電效應實現(xiàn)聲電轉換，其振動頻率在幾百千赫以上，當它的兩電極加脈沖信號(觸發(fā)脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波。相反，若電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。

2 超聲波測厚系統(tǒng)電路總體結構及工作原理
超聲波測厚系統(tǒng)模塊的主要任務是產生一個超聲波信號，將超聲波信號放大后加載到超聲波探頭上，超聲波探頭帶動被測物體發(fā)生共振，然后將得到的數(shù)據(jù)采樣并且峰值保持，然后送給信號處理模塊，因此它是本設計的基礎部分，是實現(xiàn)將檢測信息娩出，得到良好超聲波回波信息的關鍵所在。
本超聲波測厚系統(tǒng)模塊主要由觸發(fā)信號產生電路，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)轉換電路，液晶顯示電路和CPLD運算及控制電路等構成。其電路構成設計如圖2：

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

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

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

(1)儀器上電，進入測量狀態(tài)，CPU首先對CPLD進行初始化，使計數(shù)器及鎖存器清零，CPLD等待CPU的發(fā)射請求。
(2)若接收到CPU的發(fā)射請求，CPLD產生一個幾百納秒的觸發(fā)信號，開通高壓電路，激勵探頭產生超聲波，同時啟動計數(shù)器開始計數(shù)。根據(jù)測厚儀1～300 mm的測量范圍，采用軟件自帶的一個16位計數(shù)器即可涵蓋所需要的測量范圍。如果CPLD的資源比較緊張，還可以用VerilogHDL語言設計一個合適位數(shù)的計數(shù)器(例如12位計數(shù)器)，以達到合理利用資源的效果。
(3)如果CPLD在合理的時間內未接收到回波信號，則回波有效標志位為0，鎖存器里的數(shù)據(jù)無效，CPU不讀取。當CPLD接收到回波信號時，還需對接收的回波信號做寬度檢測，僅當回波寬度在合理范圍內，才認為是有效的，回波寬度檢測是為了避免由于探頭藕合不良而引起讀數(shù)不準確的情況。
(4)CPLD檢測到有效回波時，鎖存回波從發(fā)射到接收所用的時間、回波的前沿及后沿等相關信息，回波有效標志位置1，CPU讀取所需的信息。值得注意的是，在超聲測厚儀回波的數(shù)據(jù)采集中，只檢測回波的前、后沿，根據(jù)對稱性計算出其中點，而不必花費更多的資源計算其峰值。這樣做使儀器的結構更簡單，體積更小巧，功耗也較低。本程序進行連續(xù)采集256次數(shù)據(jù)累加求厚度的平均值，再進行十六進制到十進制的轉換，顯示出十進制的厚度值。

5 結束語
超聲測厚儀中應用低功耗CPLD，可降低產品的生產成本，提高系統(tǒng)的可靠性，縮小設計的物理體積，靈活性更好，而且在滿足測量精度的前提下，大大降低了儀器整體的靜態(tài)功耗。本系統(tǒng)的結論：
(1)本系統(tǒng)探頭及測厚不受工件形狀厚薄限制，靈敏度高。
(2)本系統(tǒng)性能指標達到如下數(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；
動態(tài)范圍>=32 dB；
測厚精度0．05 mm。