基于ARM的PWM模塊的超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計
所研制的電路板可激發(fā)探頭產(chǎn)生0.5~10 MHz的超聲波,激勵脈沖電壓最高可達(dá)830 V,脈沖的上升時間小于50 ns。
ARM嵌入式處理器是具有極低功耗、極低成本的高性能處理器,運算速度快、精度高,而且便于實時操作系統(tǒng)的移植,真正成為實時多任務(wù)系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時器,占空比、頻率、極性可編程,且具有自動重載和雙緩沖功能。主頻FCLK最高達(dá)400M-Hz,APB總線設(shè)備使用的PCLK最高達(dá)68 MHz。具體過程為:首先,開啟自動重載功能,對PWM脈沖的各個參數(shù)通過PWM寄存器進(jìn)行設(shè)置,如定時器配置寄存器(TCFGn),定時器控制寄存器(TCON),定時器計數(shù)緩存寄存器(TCNTBn),定時器比較緩存寄存器(TCMPBn),定時器計數(shù)觀察計數(shù)器(TCNTOn)等的設(shè)置。其次,設(shè)置相應(yīng)定時器的手動更新位,然后設(shè)置開始位,在等待時間后定時器開始倒計數(shù),當(dāng)TCNTn和TCMPn的值相同時,TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦摺.?dāng)TCNTn為0,TCNTn用TCNTBn的值自動重載。如果要重新設(shè)置TCNTn的初始值,則要執(zhí)行手動更新。
通過使用TCMPBn來執(zhí)行PWM功能,PWM的頻率由TCNTBn來決定。雙緩沖功能允許對下個PWM周期在當(dāng)前PWM周期任意時間點由ISR或其他程序改寫TCMPBn。
4 高壓電源及其控制
超聲波發(fā)射電路對激勵電壓脈沖要求較高,需要一定的幅值,而且脈沖寬度要求越小越好,且須有一定的發(fā)射功率,這決定了超聲波探傷的靈敏度,還關(guān)系到工件探傷的深度。如果要穿透較厚的工件,就需將較大的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率。發(fā)射功率為:
式中,uA0為電容放電時的瞬間電壓,C為電容容量,t為放電時間,
為有效功率。
當(dāng)放電時間常數(shù)確定后,放電時間和C即確定。所以加大發(fā)射電壓是提高發(fā)射功率的主要途徑,由放電電壓公式可知,除電路中的各個電阻影響外,高壓電源的電壓是一個主要因素。但電壓又不能太高,否則會使壓電晶片加速老化。一般發(fā)射電壓不超過1 800 V。
這里采用美國Ultravoh公司的高壓電源模塊。其中“V”系列的型號為1V12-P0.4電源模塊,能完全滿足該設(shè)計的需求,其輸入電壓為12 V,輸出電壓為0~1 000 V,控制電壓為0~5 V,功率為0.4 W。低功耗、體積小、重量輕,并帶有輸出電壓監(jiān)測和自保護(hù)電路。高壓電源控制電路如圖3所示。
ARM微處理器輸出的控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可輸出0~5 V的控制信號V2,相應(yīng)的高壓電源模塊即可輸出0~1 000 V的電壓。
5 仿真及分析
為驗證本設(shè)計是否能滿足實驗的需要,對電路進(jìn)行軟件仿真。因為t=5τ1,約為500μs時認(rèn)為充電電容充滿,所以把開關(guān)頻率設(shè)置為1kH-z。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。
圖4中,高壓電源輸出為725V,R1=10 kΩ,R2=100 Ω,C=0.01μF,得到的激勵脈沖約為600 V,寬度為600 ns。此脈沖滿足本設(shè)計中超聲波頻率為2.5 MHz時,探頭對激勵脈沖寬度的要求。
圖5中,當(dāng)高壓電源輸出最大為1 000 V,R1=10 kΩ,R2=100 Ω,C=0.01μF時,得到的激勵脈沖約為830 V,寬度為600 ns。
由于帶充電電阻器的高壓直流電源效率不是很高,所以激勵脈沖的電壓也不能達(dá)到高壓電源的電壓。通過ARM微處理器發(fā)射不同頻率和占空比的控制脈沖,可以控制發(fā)射電路發(fā)射寬度和重復(fù)頻率可調(diào)的激勵脈沖。
6 結(jié)論
通過對發(fā)射電路工作原理以及各個元件作用的分析,得出了各個元件對超聲波所起的不同作用,以及ARM的PWM模塊如何對激勵脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)驗證。該電路發(fā)射的超聲波功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào)。能滿足多種檢測需求。
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