基于8051IP核的便攜式超聲波測(cè)厚儀設(shè)計(jì)*

牟光臣，石新峰

（河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校電子通信工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

超聲波測(cè)厚儀攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，精度較高，可以快捷而準(zhǔn)確地測(cè)量各種結(jié)構(gòu)均勻的金屬材料和非金屬材料的厚度。尤其對(duì)于鍋爐、壓力容器和管道等只有一個(gè)側(cè)面可以接觸的測(cè)量對(duì)象，具有更大優(yōu)越性。利用超聲波測(cè)厚儀構(gòu)成的集總式檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)企業(yè)的鍋爐、壓力容器和各種管道的厚度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，了解其局部腐蝕、銹蝕的情況，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行有著極大作用。

1 超聲測(cè)厚儀工作原理

超聲波測(cè)厚儀有脈沖式、共振式、蘭姆波式等多種類(lèi)型。目前廣泛采用的是脈沖反射式。脈沖反射式超聲測(cè)厚儀的工作原理及工作過(guò)程如下:

1)由微處理器觸發(fā)超聲脈沖發(fā)生器開(kāi)始工作，產(chǎn)生超聲脈沖，脈沖頻率一般應(yīng)該在40KHz以上，并激發(fā)超聲探頭產(chǎn)生(一般采用一體化探頭)超聲波，即時(shí)開(kāi)始超聲發(fā)射。控制脈沖發(fā)生器的工作時(shí)間，保證每次發(fā)射8～15個(gè)周期。

2)超聲波通過(guò)被測(cè)介質(zhì)傳輸至材料分界面。

3)超聲波脈沖在分界面處被反射?；夭ū灰惑w化探頭接收到。

4)接收電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多次濾波及放大，并截取第一次回波信號(hào)的峰值，變成數(shù)字信號(hào)傳輸至高速計(jì)數(shù)器。

5)周期固定的高速計(jì)數(shù)器自發(fā)出超聲脈沖序列時(shí)開(kāi)始進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，當(dāng)接收到回波有效信號(hào)時(shí)結(jié)束計(jì)數(shù)。即可得到超聲波在介質(zhì)中的渡越時(shí)間。

6)利用微處理器將渡越時(shí)間除以2，再乘上超聲波在某種固定介質(zhì)中的傳播速度，即可得到介質(zhì)厚度。即H=0.5V△T(其中H為板材厚度;V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;△T為渡越時(shí)間)。

7)由微處理器將計(jì)算結(jié)果送給顯示電路進(jìn)行顯示。在開(kāi)始測(cè)量之前，需要預(yù)先將介質(zhì)傳播速度數(shù)據(jù)通過(guò)鍵盤(pán)輸入微機(jī)系統(tǒng)或預(yù)先存入ROM表。

需要注意的是:如果被測(cè)材質(zhì)不均勻，比如鑄鐵之類(lèi)的測(cè)量對(duì)象，可能會(huì)發(fā)生超聲波在介質(zhì)中的多次反射和折射，從而造成回波信號(hào)非常弱或者測(cè)量結(jié)果有較大誤差。同時(shí)，對(duì)于表面氧化銹蝕嚴(yán)重，或者存在嚴(yán)重污穢，必須將表面先清理干凈，否則將嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。

2 8051IP核介紹

本設(shè)計(jì)采用杭州康芯公司提供的K8051單片機(jī)IP核。該IP核由VQM原碼表達(dá)，在QuartusII環(huán)境下能與VHDL、Verilog等硬件描述語(yǔ)言混合編譯綜合，并能在邏輯容量為1500以上邏輯單元的FPGA中實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)及軟件調(diào)試。

K8051IP核含有一個(gè)8位CPU，存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)，不但指令系統(tǒng)與8051/2、8031/2等完全兼容，而且硬件系統(tǒng)也與之基本相同，同樣可掛接64KB外部存儲(chǔ)器和256字節(jié)外部RAM，含兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，全雙工串口，含節(jié)省功耗工作模式，以及中斷響應(yīng)結(jié)構(gòu)。

K8051IP核與普通8051/2單片機(jī)的區(qū)別之處:以網(wǎng)表文件形式存在，只有經(jīng)過(guò)編譯綜合載于FPGA以后才能工作;核內(nèi)無(wú)ROM和RAM，只能利用FPGA的片內(nèi)存儲(chǔ)器，從中開(kāi)辟4KBROM和256字節(jié)RAM并與IP核連接才能使用;支持在系統(tǒng)存儲(chǔ)器內(nèi)容編輯器擦寫(xiě)ROM程序，支持SignalTapII嵌入式邏輯分析儀實(shí)現(xiàn)時(shí)序測(cè)試;4個(gè)I/O分開(kāi)，一共有64個(gè)輸入輸出端口，可以工作于兩種模式，既可以通過(guò)總線三態(tài)門(mén)合并成與普通單片機(jī)類(lèi)似的32根口線工作模式，也可以工作64根輸入輸出線各自獨(dú)立的工作模式;工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通單片機(jī)，一般情況下可以工作于90MHz。利用K8051IP核可以方便地構(gòu)成一個(gè)包含8位微處理器的SOC系統(tǒng)。

3 總體設(shè)計(jì)思路及工作原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 超聲測(cè)厚儀總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)中不再采用89S51系列單片機(jī)擔(dān)當(dāng)控制任務(wù)，而是選用Altera公司的EP1C3T144C8芯片充當(dāng)控制核心，該芯片具有3000個(gè)單元，用其中1500個(gè)單元配置K8051IP核，在內(nèi)部存儲(chǔ)器空間中開(kāi)辟4KB的ROM和256字節(jié)的RAM，構(gòu)成8051最小系統(tǒng)，并用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)方波發(fā)生器和32位計(jì)數(shù)器等模塊，然后進(jìn)行片內(nèi)掛接。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成，從而大大降低功耗，提高便攜式裝備的持續(xù)工作時(shí)間。

系統(tǒng)工作原理:K8051IP核同時(shí)發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)給32位高速計(jì)數(shù)器和方波發(fā)生器，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)工作，方波發(fā)生器也開(kāi)始輸出2.5MHz方波，該方波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后傳輸至超聲換能器(即超聲發(fā)射探頭)，轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、檢波、比較整形及限幅后，變成數(shù)字信號(hào)輸出。用該信號(hào)充當(dāng)32位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端，當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器即停止計(jì)數(shù)，并給CPU發(fā)中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)中斷，分4次讀取計(jì)數(shù)結(jié)果并計(jì)算，即得到回波時(shí)間。CPU將回波時(shí)間除以2，并乘以預(yù)先存儲(chǔ)的超聲波在某種介質(zhì)中的傳播速度，即可得到板材厚度并送給顯示電路顯示。

鍵盤(pán)上設(shè)計(jì)有各種操作功能鍵和數(shù)字鍵，可以方便地進(jìn)行各種操作和輸入超聲波在介質(zhì)中的傳播速度值。

遠(yuǎn)程通信模塊用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信和聯(lián)網(wǎng)，從而構(gòu)成一個(gè)集總式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以用在各種需要多點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)厚的場(chǎng)合。

4 各單元電路設(shè)計(jì)

4.1 超聲探頭

選用含發(fā)射和接收功能的一體化超聲探頭。具體選擇時(shí)應(yīng)該考慮壓電晶片的中心頻率應(yīng)該在2.5MHz左右。

4.2 驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路

FPGA輸出的方波信號(hào)電平為3.3V，此電壓水平不能滿足要求，本方案選用TCL7667驅(qū)動(dòng)電路將2.5MHz方波信號(hào)提升至12V，然后送給超聲換能器激發(fā)出超聲波信號(hào)。

4.3 2.5MHz方波發(fā)生器

利用EP1C3T144C8芯片自帶的模擬鎖相環(huán)，在片外掛接20MHz有源晶振后完成倍頻，變成50MHz，然后再經(jīng)20倍分頻變成2.5MHz方波。注意:為了保證每次發(fā)射8～15個(gè)超聲脈沖串，需設(shè)計(jì)一個(gè)以此2.5MHz脈沖為時(shí)鐘信號(hào)的10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，循環(huán)計(jì)數(shù)并送出低電平清零信號(hào)，用此低電平清零信號(hào)控制方波發(fā)生器。保證每次發(fā)射只能送出10個(gè)超聲脈沖串。如果不加此限制，而是連續(xù)不斷地發(fā)射，則回波信號(hào)會(huì)很復(fù)雜，難以進(jìn)行處理。

4.4 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路將接收到的超聲信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，經(jīng)比較電路整形后得到脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)限幅電路，變成3.3V電平后送給FPGA芯片內(nèi)的32位計(jì)數(shù)器使能端，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

4.5 32位高速計(jì)數(shù)器

為了保證較寬的測(cè)量范圍，本設(shè)計(jì)特意將計(jì)數(shù)器設(shè)置為32位。原因如下:

眾所周知，超聲測(cè)厚儀要求測(cè)量誤差小于被測(cè)板材厚度值的1% ±0.1mm。這就要求計(jì)數(shù)器必須達(dá)到一定的工作頻率，才能使計(jì)數(shù)誤差滿足要求。而目前國(guó)內(nèi)超聲測(cè)厚儀的測(cè)量范圍主要集中在1～300mm區(qū)段。比如測(cè)量1mm左右薄板材時(shí)，測(cè)量允許的誤差約為0.11 mm。設(shè)超聲波在板材中的傳播時(shí)間為t，超聲波縱波在鋼中傳播速度為5900m/s， 則t=2H/V，計(jì)數(shù)器至少需要的頻率 F=1/(2H/V)≈27MHz。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的工作頻率應(yīng)大于27 MHz(本設(shè)計(jì)采用40MHz，用鎖相環(huán)將20MHz片外晶振倍頻得到)。計(jì)數(shù)器工作頻率這么高，那么在測(cè)量較大的厚度值，如果計(jì)數(shù)器位數(shù)太少，則很容易發(fā)生計(jì)數(shù)溢出，造成測(cè)量結(jié)果毫無(wú)意義。因此，本設(shè)計(jì)采用了32位高速計(jì)數(shù)器。

4.6 K8051IP 核

在FPGA內(nèi)部開(kāi)辟4KB的ROM和256字節(jié)RAM，與8051IP核掛接，即可構(gòu)成最小系統(tǒng)。該IP核可以工作于90MHz，相對(duì)于普通單片機(jī)，速度有了極大提高，縮短了響應(yīng)時(shí)間和測(cè)量精度。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的編程工作主要有兩方面:

1)QuartuII環(huán)境下的VHDL語(yǔ)言編程:編程內(nèi)容為分頻器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)機(jī)等各種數(shù)字電路模塊設(shè)計(jì)。

2)8051IP核的C51編程:主要有鍵盤(pán)掃描、鍵值識(shí)別和存儲(chǔ)及響應(yīng)子程序;顯示電路子程序;通信模塊子程序;計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值讀取子程序;啟動(dòng)發(fā)射子程序;響應(yīng)回波信號(hào)中斷等子程序。主程序?yàn)楹穸扔?jì)算程序。

主程序流程圖如圖2所示。

圖2 測(cè)厚儀主程序流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文在EP1C3T144C8芯片中植入8051IP核，來(lái)代替普通單片機(jī)，并利用片內(nèi)多余資源來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)厚儀所需要的數(shù)字電路，大大提高了集成度，降低了功耗，非常利于便攜式測(cè)量環(huán)境。另外，利用計(jì)數(shù)脈沖為40MHz的32位高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行回波時(shí)間計(jì)數(shù)，既拓寬了向上的測(cè)量范圍，也保證了向下的測(cè)量精度。為便攜式測(cè)厚儀設(shè)計(jì)引入了一種創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思路。

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