基于ARM的PWM模塊的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　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(lì)脈沖電壓最高可達(dá)830 V，脈沖的上升時(shí)間小于50 ns。

　　3 基于ARM的PWM脈沖的產(chǎn)生

　　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(yùn)算速度快、精度高，而且便于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，真正成為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時(shí)器，占空比、頻率、極性可編程，且具有自動(dòng)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(guò)程為：首先，開啟自動(dòng)重載功能，對(duì)PWM脈沖的各個(gè)參數(shù)通過(guò)PWM寄存器進(jìn)行設(shè)置，如定時(shí)器配置寄存器(TCFGn)，定時(shí)器控制寄存器(TCON)，定時(shí)器計(jì)數(shù)緩存寄存器(TCNTBn)，定時(shí)器比較緩存寄存器(TCMPBn)，定時(shí)器計(jì)數(shù)觀察計(jì)數(shù)器(TCNTOn)等的設(shè)置。其次，設(shè)置相應(yīng)定時(shí)器的手動(dòng)更新位，然后設(shè)置開始位，在等待時(shí)間后定時(shí)器開始倒計(jì)數(shù)，當(dāng)TCNTn和TCMPn的值相同時(shí)，TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦摺．?dāng)TCNTn為0，TCNTn用TCNTBn的值自動(dòng)重載。如果要重新設(shè)置TCNTn的初始值，則要執(zhí)行手動(dòng)更新。

　　通過(guò)使用TCMPBn來(lái)執(zhí)行PWM功能，PWM的頻率由TCNTBn來(lái)決定。雙緩沖功能允許對(duì)下個(gè)PWM周期在當(dāng)前PWM周期任意時(shí)間點(diǎn)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(duì)激勵(lì)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(shí)的瞬間電壓，C為電容容量，t為放電時(shí)間，

為有效功率。

　　當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)確定后，放電時(shí)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(gè)電阻影響外，高壓電源的電壓是一個(gè)主要因素。但電壓又不能太高，否則會(huì)使壓電晶片加速老化。一般發(fā)射電壓不超過(guò)1 800 V。

　　這里采用美國(guó)Ultravoh公司的高壓電源模塊。其中“V”系列的型號(hào)為1V12-P0.4電源模塊，能完全滿足該設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可輸出0～5 V的控制信號(hào)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(yàn)證本設(shè)計(jì)是否能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真。因?yàn)閠=5τ1，約為500μs時(shí)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(lì)脈沖約為600 V，寬度為600 ns。此脈沖滿足本設(shè)計(jì)中超聲波頻率為2.5 MHz時(shí)，探頭對(duì)激勵(lì)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(shí)，得到的激勵(lì)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(lì)脈沖的電壓也不能達(dá)到高壓電源的電壓。通過(guò)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(lì)脈沖。

　　6 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)發(fā)射電路工作原理以及各個(gè)元件作用的分析，得出了各個(gè)元件對(duì)超聲波所起的不同作用，以及ARM的PWM模塊如何對(duì)激勵(lì)脈沖寬度和重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)驗(yàn)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(cè)需求。