基于ARM的PWM模塊的超聲波檢測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

近年來以微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展，超聲無損檢測儀器也得到了前所未有的發(fā)展動力，為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率，研制數(shù)字化、智能化、自動化、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無損檢測領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。而傳統(tǒng)的超聲波檢測儀存在準(zhǔn)確性差、精度低、體積大、功耗大、人機(jī)界面不友好等問題。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以ARM微控制器為核心，使用C語言編程，方便地實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻率與激勵電壓脈沖幅度的調(diào)節(jié)。

　　1 超聲波檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　基于ARM超聲波檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：超聲波前端發(fā)射接收電路、DSP和ARM處理器。

　　超聲波前端發(fā)射電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生激勵脈沖電壓和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波。接收電路首先將反射回來的微弱信號經(jīng)放大、濾波等電路處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換電路對信號進(jìn)行采集并將采集的信號經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖FIF0送入DSP。

　　DSP接收由A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)FIF0緩沖后的數(shù)據(jù)，主要完成計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的信號處理算法，提高超聲探傷儀器的精度和數(shù)據(jù)處理能力。

　　ARM處理器主要完成兩部分功能：一是控制功能，調(diào)節(jié)激勵脈沖的寬度和重復(fù)頻率以及放大電路的放大倍數(shù);二是實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)顯示、存儲以及和外部的通信等功能。ARM微處理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微處理器S3C2440A。其內(nèi)核頻率最高為400 MHz，功耗低，體積小，集成外設(shè)多，數(shù)據(jù)處理能力好，因而可廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備等。

　　2 超聲波發(fā)射電路

　　根據(jù)被測件的材料、厚度等不同條件，所需的相應(yīng)超聲波探頭的頻率、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時(shí)間不超過100 ns。根據(jù)頻譜分析，激勵脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足這一關(guān)系式時(shí)，接收探頭的接收信號質(zhì)量最好。該關(guān)系式即為：

　　式中，f0為探頭頻率，2a為脈沖寬度。本設(shè)計(jì)所選探頭頻率為2.5 MHz，由式(1)確定的脈沖寬度為600 ns，所以放電時(shí)間應(yīng)盡量控制在600 ns。

　　超聲波探傷法的種類很多，實(shí)際運(yùn)用中，大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。電路由可調(diào)高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲電容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ、快速恢復(fù)型二極管VD1、VD2和探頭組成，設(shè)二極管等效電阻為R3，開關(guān)等效電阻為R4。ARM微處理器的PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖，經(jīng)IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路后送入開關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當(dāng)V1為負(fù)脈沖時(shí)，IGBT關(guān)斷，高壓電源通過R1、VD2對電容C充電，充電時(shí)間常數(shù)為τ1=C(R1+R3)。當(dāng)t>5τ1時(shí)，認(rèn)為電容C充滿。當(dāng)V1為正脈沖時(shí)，IGBT開通，電容C通過開關(guān)管VQ、R2和二極管VD1對探頭放電，放電時(shí)間常數(shù)為τl=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負(fù)脈沖的激勵后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波。

　　電路中元件作用：

　　1)電阻R1用來限制充電時(shí)高壓電源對電容C的充電電流，即起到限流作用，并減小發(fā)射單元工作時(shí)對電源的影響，從這點(diǎn)考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復(fù)頻率f較高，為了使電容C在觸發(fā)前能充滿電，就必須滿足CR11/5f。所以要選擇合適的電阻R1的阻值。

　　2)電阻R2有2個(gè)作用：一是調(diào)節(jié)放電時(shí)間和發(fā)射功率，二是作為阻尼電阻，調(diào)節(jié)超聲脈沖寬度。R2的阻值越小，發(fā)射功率越小，發(fā)射脈沖越窄;R2阻值越大，發(fā)射功率越大，發(fā)射脈沖越寬。

　　3)快速恢復(fù)型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖，使A點(diǎn)只有放電時(shí)的負(fù)電壓激勵脈沖。

　　充電時(shí)，電流i與電壓UR的關(guān)系式如式(2)～式(3)所示。

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