殷曉康， 鄧承杰， 朱鵬飛， 高 偉， 李 偉

（中國石油大學(xué)（華東）a.海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心；b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

近年來，各種帶絕緣包覆層的金屬材料和非金屬復(fù)合材料大量應(yīng)用在工程裝備中［1］。針對(duì)此類裝備，傳統(tǒng)渦流、超聲和X射線檢測(cè)等技術(shù)存在局限，如渦流檢測(cè)僅適用于金屬材料，應(yīng)用范圍受限；超聲檢測(cè)需使用耦合劑，涉及效率與效益問題；射線檢測(cè)速度慢，需要進(jìn)行輻射防護(hù)［2-4］。

共面電容成像無損檢測(cè)技術(shù)因其無需耦合、非接觸，可從單側(cè)檢測(cè)非金屬復(fù)合材料表面與隱藏缺陷和金屬材料表層缺陷的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為檢測(cè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)［5］。在現(xiàn)有共面電容無損檢測(cè)系統(tǒng)中，主機(jī)與電容探頭通過線纜連接，使用時(shí)操作人員需同時(shí)攜帶主機(jī)與探頭；若將主機(jī)置于地面，使用長線纜連接探頭，則檢測(cè)信號(hào)易受線纜擾動(dòng)影響。同時(shí)現(xiàn)有系統(tǒng)由功能相對(duì)獨(dú)立的功能模塊構(gòu)成，成本高、電路復(fù)雜、擴(kuò)展性差，用于相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，只適用于原理演示，不易于實(shí)施多臺(tái)套實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于Web交互技術(shù)的無線式共面電容無損檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器替代傳統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路，成本更低、功耗更小。圍繞以STM32為核心的手持式儀器，開發(fā)了本地Web服務(wù)器軟件，設(shè)計(jì)了交互網(wǎng)頁，并使用典型試塊對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 檢測(cè)系統(tǒng)功能和總體設(shè)計(jì)

按照功能劃分，系統(tǒng)由交互網(wǎng)頁、本地Web服務(wù)器和手持儀器三部分構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)頁端、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和儀器端。簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)頁端為用戶提供交互界面，實(shí)現(xiàn)儀器控制與信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示功能。中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)頁端與儀器端信息傳遞的媒介，通過無線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供Web服務(wù)，通過藍(lán)牙透?jìng)鳛閮x器提供接入途徑。儀器端接收中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)控制指令，對(duì)缺陷進(jìn)行掃查，回傳掃查數(shù)據(jù)。

網(wǎng)頁端設(shè)備與中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)通過WiFi通信。作為常見網(wǎng)絡(luò)接入手段，WiFi操作簡便、數(shù)據(jù)傳輸速率高的特點(diǎn)［6］，降低了系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)難度，同時(shí)也保證了網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)可視化的實(shí)時(shí)性。儀器端通過藍(lán)牙與中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)雙向通信［7］。藍(lán)牙作為廣泛普及的低功耗近距離通信技術(shù)，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備有線連接布線復(fù)雜［8］、操作距離短的問題。

儀器端以STM32G0最小系統(tǒng)為核心，由微小電容測(cè)量模塊、藍(lán)牙通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、USB串口調(diào)試模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、電源管理模塊、功能拓展IO等組成，并帶有4個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)指示燈。中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)是獨(dú)立于網(wǎng)頁端和儀器端的設(shè)備，主要包括基于Flask框架實(shí)現(xiàn)的Web服務(wù)器和使用USB藍(lán)牙收發(fā)器的信息交互設(shè)備。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無損檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

無損檢測(cè)儀主要包含微控制器及其最小系統(tǒng)、電源模塊、藍(lán)牙通信模塊、探頭信號(hào)處理模塊及USB串口調(diào)試模塊等，儀器實(shí)物裝配如圖2所示。

圖2 無損檢測(cè)儀實(shí)物裝配圖

（1）微控制器及其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。儀器使用意法半導(dǎo)體STM32G071微控制器。該微控制器采用32位ARM Cortex-M0內(nèi)核，工作頻率64 MHz。微控制器最小系統(tǒng)由微控制器、匹配晶振、復(fù)位電路和電源電路組成。

（2）電源模塊設(shè)計(jì)。儀器采用自主設(shè)計(jì)的升壓供電方案，供電電壓可低至1.2 V，單節(jié)AA電池即可滿足需求，可連續(xù)作業(yè)達(dá)10 h，并實(shí)現(xiàn)了一鍵開關(guān)機(jī)功能。自恢復(fù)按鈕SW1短按開機(jī)，微控制器上電運(yùn)行后，輸出高電平至連接點(diǎn)P1，保證電源繼續(xù)運(yùn)行。SW1長按關(guān)機(jī)，電平信號(hào)由連接點(diǎn)VCC＿State送微控制器，微控制器接收信號(hào)后切換連接點(diǎn)P1為低電平，切斷系統(tǒng)電源。電源模塊原理如圖3所示。

圖3 電源模塊工作原理圖

（3）藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)。儀器的藍(lán)牙通信模塊使用CH9141串口BLE模塊，在其外部添加一顆LED作為狀態(tài)指示燈使用。RST引腳為低電平復(fù)位引腳，RA引腳為恢復(fù)出廠設(shè)置、AT透?jìng)鞴δ芮袚Q引腳。在儀器中，藍(lán)牙模塊使用AT配置為從機(jī)模式，透?jìng)魇褂卯惒酱?，波特率? 152 Kb／s。

（4）探頭信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)。探頭信號(hào)處理模塊使用亞德諾（ADI）的AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)置Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）［9］，最大采樣頻率90 Hz，量程范圍±4 pF，精度高達(dá)4 fF。AD7746內(nèi)置的溫度傳感器可輔助實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，芯片支持兩路電容采樣，通過將輸入配置為差分模式，可直接與傳感器兩端相連［10-11］。芯片采用16引腳TSSOP封裝，兼容I2C串行接口。

（5）USB串口調(diào)試模塊設(shè)計(jì)。USB調(diào)試模塊使用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH330實(shí)現(xiàn)。CH330為SOP-8小封裝形式，支持3 V和5 V供電。硬件全雙工，支持最高2Mb／s通信波特率。由于USB接口為5 V供電，微控制器為3.3 V供電。為防止微控制器或CH330中任意一方上電而另一方掉電時(shí)，出現(xiàn)電流倒灌，在微控制器串口引腳與CH330串口引腳之間加入隔離芯片π122U31。

（6）其他模塊。高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用STM32G0內(nèi)置的RTC模塊實(shí)現(xiàn)，時(shí)鐘外部供電采用CR1220小尺寸紐扣電池。功能拓展口為4針通用輸入輸出（GPIO）接口，從微控制器引出，可模擬SPI、I2C等接口連接外部器件，拓展系統(tǒng)功能。

2.2 專用共面電容探頭設(shè)計(jì)

儀器通過配套共面電容探頭獲取被測(cè)對(duì)象缺陷信息。電容探頭采用可更換的設(shè)計(jì)與插裝連接方式，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合與檢測(cè)對(duì)象的不同選配探頭，提高了儀器的靈活性。兩種典型的可更換電容探頭如圖4所示，（a）為具有較大穿透深度的電容探頭，（b）為具有較高分辨率的電容探頭。

圖4 共面電容探頭實(shí)物圖

2.3 USB藍(lán)牙收發(fā)器設(shè)計(jì)

藍(lán)牙收發(fā)器通過USB連接到中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，是節(jié)點(diǎn)與儀器的通信設(shè)備。收發(fā)器使用USB接口取電，經(jīng)低壓差線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3 V工作電壓。采用CH9141藍(lán)牙模塊，通過CH330實(shí)現(xiàn)串口與USB的雙向轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)有復(fù)位與重置撥碼開關(guān)，使模塊具有不斷電復(fù)位與重置功能。收發(fā)器實(shí)物如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙收發(fā)器實(shí)物圖

3 儀器封裝設(shè)計(jì)

儀器整體封裝由箱體、箱蓋、底部探頭背板和USB防水孔塞組成。儀器所使用共面電容探頭安裝在背板底部，背板與機(jī)箱采用導(dǎo)軌式滑動(dòng)安裝方案。儀器可單手持握，操作簡單方便，儀器實(shí)物與持握效果如圖6所示。

圖6 儀器實(shí)物與持握效果

4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式程序總體方案

為實(shí)現(xiàn)儀器的基本功能，分別設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通信、探頭信號(hào)處理、小型數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)電源管理和調(diào)試支持子程序。子程序由更上層的調(diào)度和守護(hù)程序統(tǒng)一管理。

通信程序負(fù)責(zé)藍(lán)牙模塊的維護(hù)，包括自動(dòng)連接、掉線重連、指令收發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。探頭信號(hào)處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)探頭信號(hào)處理模塊的控制功能，包括信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣、激勵(lì)電壓設(shè)置、探頭信號(hào)校準(zhǔn)、采樣速率設(shè)置等。數(shù)據(jù)庫結(jié)合E2PROM和Flash兩款不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)。其中，F(xiàn)lash保存檢測(cè)獲取的數(shù)據(jù)，E2PROM保存數(shù)據(jù)的索引信息，包括檢測(cè)作業(yè)的時(shí)間信息和數(shù)據(jù)存放的物理位置等。電源管理程序?qū)崿F(xiàn)儀器一鍵開關(guān)機(jī)的功能。程序總體框架圖如圖7所示，圖中藍(lán)色部分為芯片廠商提供的庫文件，通過調(diào)用庫文件API間接操作底層寄存器，可降低程序開發(fā)難度，也使程序易于維護(hù)［12-13］。橙色為自主設(shè)計(jì)的軟件程序。

圖7 嵌入式程序總體框架圖

4.2 儀器核心調(diào)度程序設(shè)計(jì)

核心調(diào)度程序負(fù)責(zé)對(duì)用戶輸入（以下稱命令）進(jìn)行響應(yīng)，并調(diào)用圖7中的下級(jí)子程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能。

調(diào)度程序在主main（）函數(shù)中while循環(huán)內(nèi)以輪詢的方式執(zhí)行。外部命令以中斷方式接收，中斷內(nèi)對(duì)全局標(biāo)志變量進(jìn)行修改。調(diào)度程序通過對(duì)標(biāo)志標(biāo)量進(jìn)行檢查，確認(rèn)有無命令輸入。如有命令輸入，則產(chǎn)生響應(yīng)。

調(diào)度程序每收到一條有效命令，至少返回一條狀態(tài)消息作為響應(yīng)。所設(shè)計(jì)命令如表1所示。

系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置命令后接“年月日星期時(shí)分秒”，例如“2020年12月21日12點(diǎn)整”表達(dá)為“［T］201221120000”。命令執(zhí)行后，儀器回應(yīng)“Execution Succeed.”作為返回信息。

4.3 儀器藍(lán)牙連接流程設(shè)計(jì)

儀器開機(jī)后，用戶有10 s時(shí)間連接藍(lán)牙，若藍(lán)牙超時(shí)未連接，則默認(rèn)進(jìn)入有線調(diào)試模式。調(diào)度程序中附帶藍(lán)牙守護(hù)程序，可檢查藍(lán)牙連接狀態(tài)，若連接后意外斷開，則嘗試重連。藍(lán)牙連接流程如圖8所示。

圖8 藍(lán)牙連接流程圖

4.4 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀與前端網(wǎng)頁之間的數(shù)據(jù)通信，在整個(gè)系統(tǒng)中起連通前后端的作用。

Web服務(wù)器的業(yè)務(wù)邏輯與功能響應(yīng)基于Flask框架［14］實(shí)現(xiàn)，其總體框架如圖9所示。

圖9 Web服務(wù)器通信框架圖

服務(wù)器與檢測(cè)儀進(jìn)行連接時(shí)依托串口通信組件，向?yàn)g覽器推送網(wǎng)頁時(shí)采用HTTP協(xié)議POST請(qǐng)求，在傳輸探頭數(shù)據(jù)時(shí)依托WebSocket通信組件［15］。為保證指令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，引入多線程技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸鏈路與控制指令鏈路分配給兩個(gè)不同的線程單獨(dú)處理。

服務(wù)器啟動(dòng)后，自動(dòng)監(jiān)聽指定端口HTTP請(qǐng)求，當(dāng)用戶從瀏覽器通過指定地址訪問服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器會(huì)響應(yīng)該請(qǐng)求，向其傳送網(wǎng)頁數(shù)據(jù)。用戶加載網(wǎng)頁后，通過網(wǎng)頁配置藍(lán)牙收發(fā)器參數(shù)，上傳到服務(wù)器，由服務(wù)器設(shè)定儀器參數(shù)，建立通信連接。其后網(wǎng)頁端通過WebSocket通信鏈路請(qǐng)求并接收儀器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)波形實(shí)時(shí)顯示。

4.5 交互網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)無損檢測(cè)儀器依托特定軟硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備控制與數(shù)據(jù)可視化，開放性小，成本高的情況，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)頁的操作界面，實(shí)現(xiàn)了儀器的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化功能。

交互界面主要由藍(lán)牙收發(fā)器設(shè)置面板和數(shù)據(jù)可視化面板兩部分組成，如圖10所示。

圖10 網(wǎng)頁界面效果圖

網(wǎng)頁加載成功后，可在藍(lán)牙收發(fā)器設(shè)置面板設(shè)定串口號(hào)、數(shù)據(jù)位數(shù)、波特率、停止位等參數(shù)，點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，網(wǎng)頁內(nèi)置的JavaScript腳本程序?qū)⒉东@設(shè)定的參數(shù)項(xiàng)，并在后臺(tái)將其打包成JSON數(shù)據(jù)，通過WebSocket鏈路傳送給服務(wù)器。配置成功后，服務(wù)器返回狀態(tài)信息，頁面上的狀態(tài)指示燈由“未連接”狀態(tài)（紅色）切換到“已連接”狀態(tài)（綠色）。

數(shù)據(jù)可視化面板將探頭數(shù)據(jù)以波形圖的形式實(shí)時(shí)繪制于網(wǎng)頁上，供用戶檢視并對(duì)缺陷狀態(tài)做出判斷。刷新按鈕、停止按鈕分別對(duì)應(yīng)波形清空、暫停繪制功能。按鈕與數(shù)據(jù)可視化的交互邏輯通過JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)。

5 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)缺陷檢出功能，采用帶缺陷玻璃鋼試塊與鋁制試塊兩種典型試塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

玻璃鋼隱藏缺陷試塊如圖11所示。在厚度為2 mm的玻璃鋼試塊上開邊長20 mm正方形通孔。試塊上表面覆蓋厚度0.5 mm有機(jī)玻璃將通孔變?yōu)殡[藏缺陷。采用圖4中右側(cè)探頭，手持儀器實(shí)施單次往復(fù)線掃描。

圖11 玻璃鋼隱藏缺陷試塊（mm）

檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。探頭下方無缺陷時(shí)，探頭電容基值約2.15 pF。探頭經(jīng)過缺陷時(shí)，電容值較基值有明顯下降。對(duì)于上述試塊，探頭與缺陷對(duì)正時(shí)，電容值下降到2.05 pF，變化量為基值的4.6%，波形變化明顯，在圖12中以a標(biāo)記。往復(fù)線掃描回程特征波形以b標(biāo)記，兩處特征波形幅值接近，一致性較好。

圖12 玻璃鋼隱藏缺陷檢測(cè)結(jié)果

鋁板隱藏缺陷試塊如圖13所示。在厚度20 mm的鋁制試塊上開直徑6、8、10 mm平底圓孔，孔深4 mm。試塊上表面覆蓋厚度0.5 mm有機(jī)玻璃作為絕緣包覆層。采用圖4中右側(cè)探頭由右至左進(jìn)行單次線掃描。

圖13 鋁板隱藏缺陷試塊（mm）

檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。金屬隱藏缺陷特征波形呈W型，標(biāo)記a、b、c分別對(duì)應(yīng)直徑6、8、10 mm缺陷。對(duì)比3處特征波形，隨缺陷直徑增加，波谷逐漸加深。此規(guī)律可定性表征缺陷尺寸大小。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)對(duì)絕緣材料覆蓋下的隱藏缺陷具有良好的檢出能力。

圖14 金屬板隱藏缺陷檢測(cè)結(jié)果

此外，圖12與圖14為遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁（見圖10）中的實(shí)時(shí)波形圖，也充分驗(yàn)證了無線式電容無損檢測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)端控制與信號(hào)無線傳輸功能。

6 結(jié) 語

本文針對(duì)傳統(tǒng)電容成像無損檢測(cè)設(shè)備成本高、操作不易等突出問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于微控制器的無線式電容無損檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)研發(fā)過程兼顧了工程應(yīng)用價(jià)值與實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。系統(tǒng)以無損檢測(cè)設(shè)備便攜化、無線化的市場(chǎng)需求為研究出發(fā)點(diǎn)，注重了功能性與現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性；系統(tǒng)將無損檢測(cè)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用等專業(yè)課程的典型應(yīng)用場(chǎng)景緊密結(jié)合，具有開放性的軟硬件設(shè)計(jì)，支持學(xué)生根據(jù)需求進(jìn)行自主二次開發(fā)，可用于機(jī)電類本科高年級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。