小型低功耗的超聲無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張宇堃

摘要：該文闡述了超聲無損檢測技術(shù)的檢測原理和發(fā)展方向，然后基于小型、低功耗、便攜式的理念設(shè)計(jì)了一種基于Linux操作系統(tǒng)的超聲無損檢測系統(tǒng)。硬件方面詳細(xì)設(shè)計(jì)了電源模塊、模擬信號處理模塊和ARM處理模塊，軟件方面詳細(xì)設(shè)計(jì)了設(shè)備驅(qū)動程序、探傷功能模塊。主要采用變壓器耦合電壓的方式來將發(fā)電器與放大器之間的輸出電壓降低，利用分時(shí)采樣思想來減少AD采樣功耗，利用S3C2410微處理器工作模式的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)該檢測系統(tǒng)的睡眠和喚醒，滿足系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：低功耗??超聲無損檢測??Linux操作系統(tǒng)??S3C2410微處理器??變壓器耦合電路

中圖分類號：TM619???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?Design?and?Implementation?of?the?Small?and?Low-Power?Ultrasonic?Nondestructive?Testing?System

ZHANG?Yukun

（Baoji?Quality?and?Technology?Inspection?and?Testing?Center，?Baoji，?Shaanxi?Province，?721000?China）

Abstract：?This?paper?expounds?the?testing?principle?and?development?direction?of?ultrasonic?nondestructive?testing?technology，?and?then?based?on?the?small，?low-power，?portable?concept，?designs?an?ultrasonic?nondestructive?testing?system?based?on?the?Linux?operating?system.?In?terms?of?hardware，?it?designs?the?power?module，?analog?signal?processing?module?and?ARM?processing?module?in?detail，?and?in?terms?of?software，?it?designs?the?device?driver?and?flaw?detection?function?module?in?detail.?It?mainly?uses?the?method?of?transformer-coupled?voltage?to?reduce?the?output?voltage?between?the?generator?and?the?amplifier，?uses?the?time-sharing?sampling?idea?to?reduce?the?power?consumption?of?AD?sampling，?and?uses?the?conversion?of?the?working?mode?of?the?S3C2410?microprocessor?to?realize?the?sleep?and?wake-up?of?the?testing?system，?so?as?to?meet?the?design?requirements?of?the?system?with?low?power?consumption.

Key?Words：?Low?power?consumption;?Ultrasonic?nondestructive?testing;?Linux?operating?system;?S3C2410?microprocessor;?Transformer-coupled?circuit

1超聲無損檢測技術(shù)概述

超聲無損檢測也可稱為超聲波檢測，是現(xiàn)階段一種新型的檢測技術(shù)。超聲波的頻率可達(dá)20?kHz，超聲無損檢測技術(shù)除了含有聲波傳輸?shù)幕竟δ芤酝?，還有著眾多不同的優(yōu)點(diǎn)。其對工件的無損檢測原理為：利用超聲波的反射或散射效應(yīng)，對工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，可有效得出此工件內(nèi)部構(gòu)造缺陷的應(yīng)用性評估。超聲波檢測方法可分為三大類，分別為共振法、穿透法和脈沖反射法，其中第三種方法是所有方法中通用性最強(qiáng)的方式。而脈沖反射主要通過發(fā)射特定的超聲波來進(jìn)行工作，根據(jù)反射波的時(shí)間和形狀來判斷工件的缺陷情況與種類。被測工件的材料、檢測目的、應(yīng)用場景等因素的千變?nèi)f化使得超聲無損檢測系統(tǒng)更加多樣化，但它們的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢幾乎一致。

在現(xiàn)代化社會發(fā)展過程中，超聲波無損檢測系統(tǒng)的操作更加簡單、結(jié)果更加精準(zhǔn)可靠。模擬和數(shù)字兩部分的組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了缺陷的自動判別、處理和保存等。模擬部分主要完成超聲波的觸發(fā)和回波信號的接收，數(shù)字部分則主要對信號進(jìn)行處理，給出控制檢測結(jié)論。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展，超聲無損檢測系統(tǒng)正向著系統(tǒng)化、模塊化、小型化、低功耗等方向發(fā)展，檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度、分辨率將會更高[1]。

2小型低功耗的超聲無損檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1總體框架

為滿足超聲無損檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo)、功能需求以及小型低功耗的需求，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用高性能嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，將各功能模塊集成在一起，但每個(gè)模塊的功效應(yīng)始終保持在低狀態(tài)，確保整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)作期間的功耗，并有效延長小型超聲無損檢測系統(tǒng)的壽命[2]。此系統(tǒng)在構(gòu)建初期采用了FPGA+ARM的處理結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要分為硬件層、嵌入式系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層，通過調(diào)用系統(tǒng)的控制硬件與接口訪問兩部分，來利用Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無損檢測。

該系統(tǒng)具體的工作流程為：高壓條件可有效激發(fā)探頭來發(fā)射超聲波并可收到回波，回波信號便會自動轉(zhuǎn)化至電信號輸入模擬信號處理模塊，后送入采樣模塊，將采用后的數(shù)據(jù)送至FPGA高速數(shù)據(jù)處理模塊，使其轉(zhuǎn)換為低速回波信號后便會自動儲存至存儲器，最終嵌入式微處理器會自動處理低速信號數(shù)據(jù)。

2.2電源模塊設(shè)計(jì)

每個(gè)不同模塊之間對于電源電壓的需求不同，電源模塊也需要通過電壓來分解，以便給每個(gè)部分的模塊供電。此系統(tǒng)的輸入電壓為14.4?V，為保障供向各功能模塊的電源高效穩(wěn)定，采用模擬電源和數(shù)字電源分離供電的方案。模擬電源采用DC-DC電路設(shè)計(jì)，確保輸出電壓的寬范圍和高效率；數(shù)字電源采用LDO線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，確保電源穩(wěn)定性。將14.4?V的輸入電壓分解得到12?V和5?V的電壓為模擬信號處理模塊供電，1.8?V與3.3?V之間的電壓主要為ARM供電，3.3?V和1.2?V主要為FPGA處理模塊提供電源支持，通過合理控制電源的分配，從而降低系統(tǒng)功耗[3]。

2.3模擬信號處理模塊

此模塊主要通過超聲波收發(fā)、增益提升、高壓生成及最終數(shù)據(jù)采集部分組成，利用放大器將回波信號放大后進(jìn)行采樣和處理。增益放大模塊通常會使用三級AD8331級聯(lián)設(shè)計(jì)，所增益的階段在0～120?dB之間，AD8331芯片可為其提供增益控制電壓線性增加與線性減小兩種選擇，該模塊選用的是增益控制電壓線性增加，將芯片的MODE引腳設(shè)為低電平即可實(shí)現(xiàn)，以起到較好的對噪聲的抑制效果。在級聯(lián)設(shè)計(jì)中，將芯片的HILO管腳處設(shè)置為低電平，第三級設(shè)為高電平，通過降至倍數(shù)來獲得更好的信噪比[4]。

2.4?ARM處理模塊

ARM微處理器是該模塊的核心，該檢測系統(tǒng)采用的是S3C2410型號的嵌入式微處理器，其主要的作用是為了低功耗的使用，且核心板的尺寸僅有名片的2/3大小，運(yùn)行主頻在200?MHz左右，具有較強(qiáng)的處理能力、內(nèi)存管理技術(shù)。提供豐富的外設(shè)接口，顯著減輕了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，如LCD、USB、UART等接口，可外接蜂鳴器、鍵盤、顯示器等多種硬件設(shè)備，提高了系統(tǒng)的利用率、為系統(tǒng)開發(fā)提供了便利。系統(tǒng)采用SDRAM+NAND?FLASH的存儲結(jié)構(gòu)，前者容量為16?M，后者容量為64?M，采用的是兩片SDRAM級聯(lián)以增大系統(tǒng)的內(nèi)存空間。

3系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1軟件的總體結(jié)構(gòu)

超聲無損檢測系統(tǒng)軟件層的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，內(nèi)核系統(tǒng)層的設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)為上一層提供統(tǒng)一高效的調(diào)用接口，Linux操作系統(tǒng)則主要完成內(nèi)存管理與模塊通信任務(wù)。應(yīng)用軟件層主要向用戶提供界面顯示和實(shí)現(xiàn)無損檢測功能，軟件的界面主要包括功能界面、參數(shù)設(shè)置等重要界面，其中使用最為頻繁的界面為探傷界面。

3.2設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)置期間主要利用驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)底層硬件控制，設(shè)備驅(qū)動程序主要負(fù)責(zé)設(shè)備的初始化和釋放、實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取和傳輸、出錯(cuò)的處理與檢測等。Linux操作系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間將硬件設(shè)備當(dāng)作文件來進(jìn)行處理。該檢測系統(tǒng)采用模塊化的方法進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)。設(shè)備驅(qū)動分三個(gè)模塊：第一個(gè)模塊包括FPGA延遲驅(qū)動、FIFO驅(qū)動和FIR濾波器驅(qū)動，這些驅(qū)動的設(shè)置關(guān)系到探傷數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)配置；第二個(gè)模塊包括鍵盤驅(qū)動、LCD顯示驅(qū)動和USB驅(qū)動，是對ARM外圍設(shè)備的驅(qū)動；第三個(gè)模塊包括DAC增益控制驅(qū)動、時(shí)鐘驅(qū)動、背光亮度驅(qū)動和電池能量驅(qū)動[5]。

3.3探傷功能模塊設(shè)計(jì)

該模塊的實(shí)時(shí)處理主要是完成探傷數(shù)據(jù)從Linux內(nèi)核空間到用戶空間的傳輸、探傷波形的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，非實(shí)時(shí)處理模塊包括通道校正、參數(shù)設(shè)置、特殊功能和文件管理4個(gè)模塊。系統(tǒng)采集每一幀超聲波數(shù)據(jù)的間隔為20?ms，在Qt中通過OPEN函數(shù)可打開設(shè)備文件名，再通過調(diào)用函數(shù)read便可實(shí)現(xiàn)探傷實(shí)時(shí)讀取功能，之后再計(jì)算相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。例如峰值計(jì)算過程中，所使用的計(jì)算流程為：將某一點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)與離最近的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比較，加入所剩余的那個(gè)點(diǎn)比其他四個(gè)點(diǎn)大，則認(rèn)定這輪比較中最大值即為該點(diǎn)，并將其坐標(biāo)保存到峰值數(shù)組中。然后按此方法對該點(diǎn)后面連續(xù)三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行依次比較，加入此點(diǎn)的最終值比其他四點(diǎn)少，那便將點(diǎn)后移一位，直到重復(fù)比較完所有的波形數(shù)據(jù)。

超聲波檢測儀器正式運(yùn)行前須進(jìn)行探傷通道的校正以確保探傷數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。用戶在使用系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)界面會自動將校正流程以鍵盤操作的方式推送至用戶面前，具體流程如下：首先預(yù)置探傷方式、探頭類型與前沿距離，然后通過測量零點(diǎn)變移和聲波速度、探頭k值、探頭頻率，制作出DAC曲線。最后存儲通道參數(shù)，開始正式的超聲波探傷。

參數(shù)設(shè)置主要包括系統(tǒng)參數(shù)、探傷參數(shù)與評定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置。其中還包括了探傷在設(shè)定參數(shù)的設(shè)置，而這些設(shè)置均歸屬于FPGA模塊，屬于FPGA處理模塊的相關(guān)設(shè)置，因此該類參數(shù)的設(shè)置與控制可通過系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動程序接口修改FPGA中寄存器的值來完成。系統(tǒng)可依據(jù)提前設(shè)置的評定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)自動判斷被檢測工件的缺陷情況，實(shí)現(xiàn)自動化和智能化探傷[6]。

4超聲無損檢測系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)與測試

4.1低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)

4.1.1變壓器耦合電路

超聲波收發(fā)電路與放大器的耦合方式是影響系統(tǒng)功耗的重要因素。通過耦合電路需輸出兩個(gè)電壓相等、相位相反的信號，為滿足超聲無損檢測系統(tǒng)的小型低功耗的設(shè)計(jì)需求，對此，該系統(tǒng)選用了變壓器耦合電路。耦合變壓器的中心抽頭分別與運(yùn)算放大器AD8331的不同引腳相連，三級AD8331的級聯(lián)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒎糯笃鳟a(chǎn)生的差分信號繼續(xù)運(yùn)送到下級放大器，從而實(shí)現(xiàn)該檢測系統(tǒng)的增益要求。采用變壓器耦合電路一方面有助于隔離超聲波收發(fā)電路和放大器，抑制諧波干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗噪性能，另一方面可以利用低成本、低功耗的單電源放大器，以降低系統(tǒng)功耗。

4.1.2高速ADC數(shù)據(jù)的分時(shí)采樣

對于小型的無損檢測設(shè)備，A/D的采樣精度和速度是影響其性能的重要因素。該系統(tǒng)采用了高速高分辨率的MAX1448型號A/D采樣芯片，正常工作模式下整體功耗僅120?MW，采樣的數(shù)據(jù)流速度可達(dá)80?Mbit/s。為保障CPU對采樣數(shù)據(jù)的及時(shí)存儲和顯示，在此之前采用非均勻壓縮算法先對大規(guī)模高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮處理。通過依據(jù)非均勻壓縮比對采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)抽取，顯著降低后續(xù)的數(shù)據(jù)處理量，減少資源消耗。該檢測系統(tǒng)重復(fù)頻率為50?Hz，探傷數(shù)據(jù)獲取間隔為20?ms，經(jīng)過對超聲波形數(shù)據(jù)的小數(shù)倍的壓縮后可得到620個(gè)探傷波形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)最大壓縮比為500，采樣頻率為40?MHz，因此在20?ms內(nèi)實(shí)際僅需7.75?ms就可完成數(shù)據(jù)的采樣，通過軟件控制就可以實(shí)現(xiàn)對ADC的分時(shí)采樣。當(dāng)ADC采樣結(jié)束后，通過FPGA輸出低電平使得ADC處于掉電模式，當(dāng)下一個(gè)20?ms到來時(shí)，再通過FPGA輸出高電平使得ADC正常運(yùn)行，以明顯降低ADC的采樣電路功耗。

4.1.3?ARM處理模塊的睡眠與喚醒

該檢測系統(tǒng)中ARM芯片采用的是S3C2410，S3C2410支持四種工作模式，正常模式下功耗297?MW，空閑模式下功耗122?MW，掉電時(shí)功耗12?MW，關(guān)機(jī)狀態(tài)下功耗80?μA。在超聲波無損檢測過程中，如果系統(tǒng)和設(shè)備在短時(shí)間不使用時(shí)能夠切換為睡眠狀態(tài)，按下恢復(fù)鍵又可以立刻恢復(fù)到之前的工作狀態(tài)，將會減少對系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)操作和每次的初始化工作。對此該系統(tǒng)利用S3C2410工作模式的轉(zhuǎn)換和Linux操作系統(tǒng)的電源管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的睡眠和喚醒。其工作流程為：系統(tǒng)上電后正常探傷，并開啟定時(shí)器。在定時(shí)的時(shí)間內(nèi)處于正常工作狀態(tài)，如果定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出，系統(tǒng)便保存睡眠前的探傷參數(shù)和LCD的值，關(guān)閉AD采樣進(jìn)入睡眠狀態(tài)，除喚醒單元外其他部分不產(chǎn)生功耗。將鍵盤作為喚醒單元，當(dāng)鍵盤有按鍵出現(xiàn)時(shí)，將會喚醒CPU、打開AD采樣進(jìn)行探傷工作，如果沒有按鍵則一直睡眠，直到探傷工作人員將其關(guān)機(jī)。

4.2系統(tǒng)的低功耗測試

超聲無損檢測設(shè)備從芯片體積、電路設(shè)計(jì)以及PCB版的設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行考慮以減小整個(gè)設(shè)備的體積，最終得到設(shè)備的大小為210?mm×153?mm×30?mm，整個(gè)設(shè)備重量小于0.6?kg，滿足了小型體積的設(shè)計(jì)需求。在系統(tǒng)的功耗測試方面，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對比，得到的模擬信號處理模塊的功耗測試結(jié)果如表1所示。

由測試結(jié)果可知，相比于傳統(tǒng)的無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體功耗降低了近一半，能夠使系統(tǒng)有更長的待機(jī)時(shí)間，也有助于延長電池使用壽命。

在系統(tǒng)睡眠與喚醒的測試中，為使系統(tǒng)快速切換為睡眠狀態(tài)，將定時(shí)器的時(shí)間設(shè)為30?s，在實(shí)際的使用中可將定時(shí)時(shí)間延長。定時(shí)器溢出時(shí)系統(tǒng)界面會給出提示：10?s后儀器將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。若沒有按鍵操作，則系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此時(shí)利用直流穩(wěn)壓電源觀察系統(tǒng)的電流，流過系統(tǒng)的電流變?yōu)?.15?A。當(dāng)系統(tǒng)喚醒后，流過系統(tǒng)的電流為0.3?A，由此可以得出，系統(tǒng)在睡眠時(shí)的功耗降低了一半，較好滿足了系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)語

體積小、重量輕和功耗更低的超聲無損檢測系統(tǒng)能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的檢測環(huán)境和場所，逐漸成為了現(xiàn)代檢測業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。該文采用FPGA+ARM的處理結(jié)構(gòu)、基于Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種小型低功耗的檢測系統(tǒng)，利用變壓器耦合電路、分時(shí)采樣、ARM處理芯片工作模式轉(zhuǎn)換這三種思路降低了系統(tǒng)的整體功耗，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的低功耗、小體積的設(shè)計(jì)需求。

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