謝友鵬，韓慶邦，鮑 娜，殷 澄，朱昌平

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，常州213022）

基于ARM的超聲信號(hào)采集系統(tǒng)?

謝友鵬，韓慶邦，鮑 娜，殷 澄，朱昌平

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，常州213022）

給出了一種基于ARM的超聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了該方案中各個(gè)功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)，以意法半導(dǎo)體公司的ARM控制器作為核心器件，根據(jù)PC端上位機(jī)下發(fā)的控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)最多16路超聲波信號(hào)進(jìn)行放大和采集，并將超聲波數(shù)據(jù)傳送至PC端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，具有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)的成本與目前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品相比要低很多。介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，論證了超聲信號(hào)的放大和采集設(shè)計(jì)方案。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地采集超聲波信號(hào)，最高采樣速度達(dá)到1MSPS/s。

信號(hào)采集；超聲波；串口

1 引 言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信號(hào)與信息處理系統(tǒng)不可缺少的組成部分，廣泛應(yīng)用于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等領(lǐng)域。超聲探傷憑借設(shè)備輕便、成本低、檢測(cè)效率高以及對(duì)人體無害的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域［1-3］。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上的超聲探傷設(shè)備普遍存在價(jià)格昂貴、操作繁瑣的缺點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了一套超聲波采集裝置，該裝置可以與脈沖式的超聲激勵(lì)源配合使用，為整個(gè)探傷中調(diào)節(jié)超聲信號(hào)并實(shí)現(xiàn)采集和繪圖分析，對(duì)整個(gè)超聲波探傷尤為重要。所述系統(tǒng)充分利用了ARM高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無損探傷中的超聲波信號(hào)采集。給出了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案并對(duì)各個(gè)主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)說明，同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)功能做了驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

超聲探傷是利用超聲波以一定的速度和方向傳播，當(dāng)其遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面就會(huì)產(chǎn)生反射的現(xiàn)象進(jìn)行的［4］。最常用的是脈沖回波探傷法，探傷時(shí)，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上，探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(zhì)進(jìn)入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)采集儀器采集后得到數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，還有用另一探頭在工件另一側(cè)接受信號(hào)的穿透法。

圖1為超聲探傷中常用的兩種探傷方法示意圖。在待測(cè)物體中的a、b、c分別表示超聲換能器產(chǎn)生的原波、遇到缺陷的反射波和透射波，脈沖回波探傷法通過采集分析反射波進(jìn)行缺陷檢測(cè)，而穿透法通過采集分析透射波來進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

圖1 兩種探傷示意圖

為了防止待采集的反射波或透射波與原波或其他超聲信號(hào)疊加造成分析困難，超聲激勵(lì)裝置必須采用間歇性的觸發(fā)方式，這也決定了采集裝置上必須有一個(gè)同步功能，用來準(zhǔn)確的采集超聲信號(hào)。

超聲信號(hào)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由放大器、AD轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、串行通信單元和上位機(jī)組成。放大器對(duì)輸入的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程。每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash中，轉(zhuǎn)換完成后，將Flash中的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)選用集成了AD、Flash和串口功能的ARM控制器。

圖2 采集系統(tǒng)總體功能框圖

采集系統(tǒng)的同步信號(hào)接入到GPIO接口中，主要通過程序完成觸發(fā)功能。

2.1 ARM采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103ZE作為控制核心。Cortex-M3內(nèi)核是基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點(diǎn)［5-6］。該芯片具有512K字節(jié)閃存、16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、5個(gè)USART串行通信接口。

通道采樣時(shí)間可編程，總轉(zhuǎn)化時(shí)間可縮減到1μs，此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸［7］。本系統(tǒng)采用定時(shí)器觸發(fā)的同步注入模式，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行同步采樣。

由于用于向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的UART能傳輸數(shù)據(jù)的位寬是6-8位［8］，而所用ARM中的AD轉(zhuǎn)換器的位寬是12位，所以在ARM程序中將ADC采集到的數(shù)據(jù)分成高低兩個(gè)8位字節(jié)進(jìn)行發(fā)送。

系統(tǒng)使用STM32內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，其參考電壓Vref＋會(huì)因?yàn)榉庋b的不同而略有差異，一般引腳數(shù)目小于或等于64的，其參考電壓在芯片內(nèi)部與VDD相連接，而引腳數(shù)目大于64的需要外接參考電壓。系統(tǒng)選用的芯片引腳數(shù)為64，所以Vref＋默認(rèn)與VDD相連接為3.3V，這就要求AD前端放大電路的輸出信號(hào)不能超過3.3V。

2.2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性，系統(tǒng)中所有的硬件模塊均由PC機(jī)的USB接口供電，而USB接口的輸出電壓為0-5V，所以信號(hào)放大電路采用單電源供電方式。

單電源供電時(shí)運(yùn)放只能放大對(duì)地電壓為正（信號(hào)同相端輸入）或?yàn)樨?fù)（信號(hào)反向端輸入）的直流信號(hào)。為了獲得不失真的交流放大波形，需通過給輸入信號(hào)疊加對(duì)地的偏置電壓，而得到對(duì)地電壓大于零的直流信號(hào)。如果單純考慮將信號(hào)的最大范圍放大，偏置電壓應(yīng)選擇為Vcc/2，但是在采集系統(tǒng)中，目的是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，而AD轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的最大模擬電壓為參考電壓Vref＋，有些芯片的Vref＋會(huì)小于Vcc，所以系統(tǒng)的偏置電壓應(yīng)設(shè)定為Vref＋/2。

系統(tǒng)的信號(hào)放大電路圖如圖3所示，使用電阻R5和R7進(jìn)行分壓為系統(tǒng)提供偏置電壓，為減小偏置電壓源的輸出阻抗，采用運(yùn)放U1A進(jìn)行跟隨，將其輸出作為整個(gè)放大電路的偏置電壓源。

設(shè)偏置電壓源的偏置電壓值為Vref，對(duì)于U2A運(yùn)放來說，由運(yùn)放“虛短虛斷”公式計(jì)算得出：

由公式（1）、（2）和（3）可知，

由于運(yùn)放U1B構(gòu)成放大電路結(jié)構(gòu)和U2A的一樣，在此不再推算，直接得出：

圖3 信號(hào)放大電路圖

圖中平衡電阻的取值遵循以下原則：

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的主要任務(wù)是提供一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，直觀方便的操作下位機(jī)，使其能夠采集、分析超聲波數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)畫成時(shí)域和頻域圖形。

上位機(jī)流程示意圖如圖4所示，主要使用C＃中的serial控件來操作串口讀取一定量的數(shù)據(jù)，然后將每相鄰的兩個(gè)8位位寬的數(shù)據(jù)合成一個(gè)16位數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)畫成波形。

圖4 上位機(jī)流程示意圖

3 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

對(duì)提出的超聲采集系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證和指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試對(duì)象是一組如圖5（a）所示的邊長(zhǎng)為50厘米的立方體混凝土石墩。實(shí)驗(yàn)首先利用圖5（b）中的脈沖源發(fā)出脈沖激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過超聲換能器轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)，超聲穿過被測(cè)石墩由負(fù)責(zé)接收的超聲換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)圖5（c）中的采集系統(tǒng)采集得到數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)中進(jìn)行畫圖。

圖5 采集實(shí)驗(yàn)連接圖

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)通過該裝置對(duì)混凝土進(jìn)行超聲探傷可以接收到明顯的回波信號(hào)。

圖6 上位機(jī)采集波形圖

經(jīng)測(cè)試，文中的采集系統(tǒng)能有效的將超聲換能器轉(zhuǎn)換出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，并采集數(shù)據(jù)，最高采樣速度達(dá)到1MSPS/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前的超聲探傷設(shè)備價(jià)格昂貴，少有獨(dú)立的專門針對(duì)超聲探傷特點(diǎn)的采集系統(tǒng)，提出一種基于ARM的的超聲信號(hào)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)能與脈沖式的超聲觸發(fā)設(shè)備有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)超聲探傷的工作，并且與市面上的一些超聲探傷裝置相比該系統(tǒng)成本較低。

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Ultrasonic Signal Acquisition System Based on ARM

Xie Youpeng，Han Qingbang，Bao Na，Yin Cheng，Zhu Changping
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

This paper presents a design of ultrasonic signal acquisition system based on ARM of the ST and designs each functionalmodule.The system uses ARM core processors to implement the control of a 16 channel signal amplifying and acquisition according to the commands from PC，and then to realize real-time display.The design of the system is compact，flexible and expendable.The price of the proposed device ismuch cheaper than those in themarket.The architecture of the system is introduced as well and the amplifying and acquisition of the signals are also designed in detail.The experiment results show that the system can clearly collect the ultrasonic signal in rate of 1MSPS/s.

Signal acquisition；Ultrasonic；USART

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.024

TP274

A

1002-2279（2015）03-0089-03

國(guó)家自然科學(xué)基金（11274091）；國(guó)家自然科學(xué)基金（11274092）；河海大學(xué)中央高校基金項(xiàng)目（2011B11014）

謝友鵬（1989-），男，天津人，碩士研究生，主研方向：嵌入式與超聲探傷。

2014-09-25