采用ARM的PWM模块的超声波检测系统的设计浅析

发布时间：2016-09-02  点击次数：人次  分享：

采用ARM的PWM模块的超声波检测系统的设计浅析

　　近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，超声无损检测仪器也得到了前所未有的发展动力，为了提高检测的可靠性和提高检测效率，研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声仪是当今无损检测领域发展的一个重要趋势。而传统的超声波检测仪存在准确性差、精度低、体积大、功耗大、人机界面不友好等问题。而超声波发射与控制电路正是在一种基于ARM的超声波检测系统的基础上，以ARM微控制器为核心，使用C语言编程，方便地实现了发射频率与激励电压脉冲幅度的调节。

1 超声波检测系统的总体设计结构

　　基于ARM超声波检测系统主要由3部分组成：超声波前端发射接收电路、DSP和ARM处理器。

　　超声波前端发射电路负责产生激励脉冲电压和重复频率可调的超声波。接收电路首先将反射回来的微弱信号经放大、滤波等电路处理，然后通过A/D转换电路对信号进行采集并将采集的信号经数据缓冲FIF0送入DSP。

　　DSP接收由A/D转换器经FIF0缓冲后的数据，主要完成计算结构复杂的信号处理算法，提高超声探伤仪器的精度和数据处理能力。

　　ARM处理器主要完成两部分功能：一是控制功能，调节激励脉冲的宽度和重复频率以及放大电路的放大倍数;二是实现信号的实时显示、存储以及和外部的通信等功能。ARM微处理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微处理器S3C2440A。其内核频率最高为400 MHz，功耗低，体积小，集成外设多，数据处理能力好，因而可广泛应用于手持设备等。

　　2 超声波发射电路

　　根据被测件的材料、厚度等不同条件，所需的相应超声波探头的频率、发射电压也不同。发射的超声波频率一般为几MHz，高压激励脉冲一般为几十到几百伏，脉冲的上升时间不超过100 ns。根据频谱分析，激励脉冲宽度探头频率之间存在着最佳关系式，当脉冲宽度满足这一关系式时，接收探头的接收信号质量最好。

　　

　

　　电路中元件作用：

　　1)电阻R1用来限制充电时高压电源对电容C的充电电流，即起到限流作用，并减小发射单元工作时对电源的影响，从这点考虑，要求电阻R1阻值越大越好。另一方面，电路的重复频率f较高，为了使电容C在触发前能充满电，就必须满足CR1<1/5f。所以要选择合适的电阻R1的阻值。

　　2)电阻R2有2个作用：一是调节放电时间和发射功率，二是作为阻尼电阻，调节超声脉冲宽度。R2的阻值越小，发射功率越小，发射脉冲越窄;R2阻值越大，发射功率越大，发射脉冲越宽。

　　3)快速恢复型二极管Vd1、Vd2滤去充电脉冲，使A点只有放电时的负电压激励脉冲。 

　　3 基于ARM的PWM脉冲的产生

　　ARM嵌入式处理器是具有极低功耗、极低成本的高性能处理器，运算速度快、精度高，而且便于实时操作系统的移植，真正成为实时多任务系统。 S3C2440A内嵌PWM脉冲模块含4通道16位定时器，占空比、频率、极性可编程，且具有自动重载和双缓冲功能。主频FCLK最高达400M- Hz，APB总线设备使用的PCLK最高达68 MHz。具体过程为：首先，开启自动重载功能，对PWM脉冲的各个参数通过PWM寄存器进行设置，如定时器配置寄存器(TCFGn)，定时器控制寄存器 (TCON)，定时器计数缓存寄存器(TCNTBn)，定时器比较缓存寄存器(TCMPBn)，定时器计数观察计数器(TCNTOn)等的设置。其次，设置相应定时器的手动更新位，然后设置开始位，在等待时间后定时器开始倒计数，当TCNTn和TCMPn的值相同时，TOUTn的逻辑电平由低变为高。当 TCNTn为0，TCNTn用TCNTBn的值自动重载。如果要重新设置TCNTn的初始值，则要执行手动更新。

　　通过使用TCMPBn来执行PWM功能，PWM的频率由TCNTBn来决定。双缓冲功能允许对下个PWM周期在当前PWM周期任意时间点由ISR或其他程序改写TCMPBn。

　　4 高压电源及其控制

　　超声波发射电路对激励电压脉冲要求较高，需要一定的幅值，而且脉冲宽度要求越小越好，且须有一定的发射功率，这决定了超声波探伤的灵敏度，还关系到工件探伤的深度。如果要穿透较厚的工件，就需将较大的电功率转换成声功率。

 

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