采用ARM的PWM模塊的超聲波檢測系統(tǒng)的設計

近年來以微電子學和計算機技術為基礎的信息技術飛速發(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今無損檢測領域發(fā)展的一個重要趨勢。而傳統(tǒng)的超聲波檢測儀存在準確性差、精度低、體積大、功耗大、人機界面不友好等問題。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)的基礎上，以ARM微控制器為核心，使用C語言編程，方便地實現(xiàn)了發(fā)射頻率與激勵電壓脈沖幅度的調節(jié)。

　　1 超聲波檢測系統(tǒng)的總體設計結構

　　基于ARM超聲波檢測系統(tǒng)的總體結構框圖，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)射電路負責產(chǎn)生激勵脈沖電壓和重復頻率可調的超聲波。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轉換電路對信號進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轉換器經(jīng)FIF0緩沖后的數(shù)據(jù)，主要完成計算結構復雜的信號處理算法，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，調節(jié)激勵脈沖的寬度和重復頻率以及放大電路的放大倍數(shù);二是實現(xiàn)信號的實時顯示、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。其內核頻率最高為400 MHz，功耗低，體積小，集成外設多，數(shù)據(jù)處理能力好，因而可廣泛應用于手持設備等。

　　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系式，當脈沖寬度滿足這一關系式時，接收探頭的接收信號質量最好。該關系式即為：

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

　　超聲波探傷法的種類很多，實際運用中，大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調諧式，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。電路由可調高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲電容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ、快速恢復型二極管VD1、VD2和探頭組成，設二極管等效電阻為R3，開關等效電阻為R4。ARM微處理器的PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比可調的脈沖，經(jīng)IGBT的驅動和保護電路后送入開關管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當V1為負脈沖時，IGBT關斷，高壓電源通過R1、VD2對電容C充電，充電時間常數(shù)為τ1=C(R1+R3)。當t>5τ1時，認為電容C充滿。當V1為正脈沖時，IGBT開通，電容C通過開關管VQ、R2和二極管VD1對探頭放電，放電時間常數(shù)為τl=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負脈沖的激勵后便產(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)射單元工作時對電源的影響，從這點考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復頻率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個作用：一是調節(jié)放電時間和發(fā)射功率，二是作為阻尼電阻，調節(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)快速恢復型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖，使A點只有放電時的負電壓激勵脈沖。

　　充電時，電流i與電壓UR的關系式如式(2)～式(3)所示。