基于PC/104的数字超声探伤仪的研究

[摘 要]：本文在分析超声波探伤原理基础上，提出了设计数字式探伤仪的新思路和所需考虑的问题，并给出了实现超声波探伤方案的硬件、软件设计系统框图和编程方法，同时介绍了PC/104的性能和特点。 超声波检测作为无损检测技术的重要手段之一，提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法，并广泛应用于化工、冶金、交通、航天航空、水厂、医疗领域目前国内一般采用模拟一数字混合式、单片机系统，结构复杂成本昂贵，只适用于实验室，并且人机交互性差，操作使用很不方便。 本文介绍了首次采用以PC/104为核心的低成本、高精度、微型化数字超声探伤仪的硬件电路和软件设计方法，实际使用证明该仪器工作稳定、功能强大、性能良好。 1超声探伤原理 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波探伤的方法很多，按其原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。 本系统采用脉冲反射法，是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等，本文只介绍缺陷回波法，其原理如图1所示。 当试件没有缺陷时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表面发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图1(a)所示；若试件中存在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如图1(b)所示。 2 PC/104的功能特点 PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线标准。它被IEEE协会定义为IEEE-P996.1。众所周知IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范，由此可以看出PC/104实质上是一种紧凑型、小型化的IEEE-P996。其型号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型堆栈式结构的嵌入式工业控制总线标准，其特点如下： (1)微型化的结构 标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸(96×90mm)，采用独特的“自栈式”总线连接器，多模块可直接栈接，从而减少母板、背板、卡架等占用的空间。微型化的结构使其更容易嵌入到机器设备、控制系统、仪器仪表、智能产品和军事装备中，提供智能化控制。 (2)堆栈式连接 去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性和抗冲击性，此性能使其在环境异常恶劣的控制系统中得以广泛应用。 (3)轻松总线驱动 PC/104微型化的结构减少元件数量和电源消耗，从而允许“HCT”逻辑和大多数VLSI芯片直接驱动总线，而无需另加缓冲芯片，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1-2W功耗，大大提高了总线的驱动能力。 (4)使用固态盘(SSD)支持软件 DOS环境下EPROM或RAM芯片在系统中可作为启动系统、运行程序甚至保存数据的驱动器来用。使用SSD应用程序可将EPROM或RAM芯片当作DOS驱动器来格式化和存取访问，无需另外开发软件。 本系统采用MSM486SV，它是基于PC/104的高可靠、高集成度ALL-IN-ONECPU模块，在标准PC/104尺寸上集成了计算机的所有功能(包括SVGA和LCD接口)。板上使用AMD公司的嵌入式处理器ELAN400/410，主频为66MHz或99MHz，最大内存32MB，板上不但包含标准PC的一般接口，两个RS232C串行口(COM2可选择RS485标准)、一个LPTI并行口、IDE硬盘接口、软盘接口、键盘/鼠标接口、看门狗定时/计数器、电池后备+EEPROM双备份Setup、电源管理、标准CRT和平板图形显示LCD接口(支持TFT、EL、STN)、支持只读固态盘(64k-1M)或Flash大容量电子盘(Disk On Chip8～288M)等，MSM486SV的电路如图2所示。 本仪器利用MSM486SV的系统资源可实现采样频率达到40MHz，通过乎板图形显示LCD接口外接6英寸EL高清液晶显示屏，大容量的硬盘空间可存储2000幅以上的波形及数据。同时通过RS232串行口将数据表格实时传送至上位PC机，并且可直接外接鼠标键 盘，通过并口外接打印机快速打印屏幕内容和探伤相关数据表格。在MSN486SV的基础上设计少数外围电路即可构成功能完善的超声探伤系统。 3系统硬件电路设计 数字超声探伤仪的硬件框图如图3所示。 由图3可知，系统是以CPU系统为核心，控制仪器的脉冲发射、信号发生与采集以及数据计算、分析、处理和数据显示或打印。 在CPU的控制下产生高压负脉冲，激励探头发射超声脉冲(通过逆压电效应)，当超声波遇到缺陷反射的回波信号由探头接收，再通过压电效应产生几十微伏到几伏的电压信号，送程控电路处理。 程控增益电路中D/A转换器接收来自CPU的数据，将其转换为对应的模拟电压加至栅极，通过改变等效电阻来控制放大器的增益。由于对于不同的探伤对象采用不同的探伤参数，仪器设计了多套不同参数的滤波电路，由继电器切换而其开启、关闭受CPU的控制，从而实现了程控滤波；对超声信号检波处理有全波检波、正半波检波、负半波检波，也是在CPU的控制下进行继电器的切换，选定一种检波方式。 A/D采样电路使模拟信号转变为数字信号。由于超声回波信号是高频信号(其中心频率一般在1MHz以上)，需要AD采样速率很高，在一次采样周期结束之后，CPU访问高速RAM缓冲区读取A/D转换结果，并对采样电路重置参数。 仪器采用的PC/104使用65548/65550显示控制芯片，支持CRT和LCD同时显示。由于65548是一种非常通用的显示控制器，目前它已经拥有支持世界上绝大多数平板显示器的扩展BIOS，包括TFT、CSTN、STN/EL和PLASAMA等，决大多数知名厂家的平板显示器均可直接连接至MSM486SV的平板显示接口上，最大分辨率可达1024×768×256bpp。同时板上提供一个字符型LCD接口，主要支持两种类型的字符型LCD，一类是带锁存的I/O LCD，另一类为CPU总线接口LCD。前者就是我们通常所说的“字符液晶块”，而后 者则为一种智能型的点阵/图形LC，如：T6963C和HD61830等。 PC/104不仅提供一个标准的键盘/鼠标接口，而且还提供了最大可支持8×16的矩阵键盘接口，只要将矩阵键盘(或开关)按照“行”、“列”分配，分别连接到板上矩阵键盘接口相应的“行”、“列”定义上即可。定义好的“键表”存到硬盘上去，使用时直接下装即可。PC/104集成高性能的16C554控制芯片(相当于4个16C550)，每个通道有独立的16字节接收缓冲器和16字节发送缓冲器，提供两个标准的任选RS232/422/485/TTL接口，标准配置板上还有一个RS485通讯接口，用户可用它进行远程通讯；对于需要多串口用户，可选择板上第4个RS232/422/485/TTL规程的串行接口COM4。本机采用串行接口COM2与上位PC机通讯，进行后期的分析和管理。 4系统软件设计 系统采用C语言和VB语言对下位机和上位机编程。MSM486SV使用AMD公司X86体系的嵌入式CPUELAN400，相当于486S×2，但没有协处理器。它可支持Windows3.x、Windows95、WindowsNT4、QNX和Linux等，但不支持Windows98/2000，因为Windows98 级以上系统必须要求协处理器。本仪器采用MS-DOS系统，开发语言C语言。仪器软件采用模块化设计，由主程序、图形界面显示子程序、参数输入子程序、硬件子程序、数据存储/读取子程序、打印子程序、串行口通讯子程序等几部分组成。 整个软件系统功能模块如图4所示。 部分控制程序如下： void main (void) {//变量定义 …… //图形界面子程序 mygraphics.Setgraphics()； //图形菜单初始化 cleardevice()； //坐标初始化 coordprocess()； displaydim()； //显示内容初始化 mygraphics.getthisdate()； //日期 mygraphics.getthistime()； //时间 initdb()；//增益 displaytantou()； //探头 displaybattery()； //电量 displayfloat(100)； //步长 //硬件子程序 //初始化硬件、中断 initinterrupt()； //打开中断 enable()； //数据存储/读取子程序 //初始化记录状态 RestoreStatus(&AppStatus)； //参数输入子程序 mainmenu()； //主程序循环 while(!programover) {//打开a/d started()； //绘曲线 drawcrv()； //判断有无按键 Keydownup()； //有键按下 if(key!=0) {//探头选择处理 //菜单功能选择处理 switch(choosemothermenu) //选择主菜单 { case 1: { baseselect()； break； } case2： {……} …… case 7： { //打印、串行口通讯子程序 memselect()； break； } default：break； }//switch over }//key！=0，键按下处理 }//Programover } 5结束语 本文给出的一种数字式超声探伤仪设计方案与以往不同的是创新的采用了精度高、速度快、微型化的PC/104核心