便攜式磁記憶檢測儀系統(tǒng)硬件設(shè)計

馬曉琳，朱紅運

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003）

金屬磁記憶檢測技術(shù)是基于鐵磁材料的磁機械效應(yīng)和磁彈性效應(yīng)原理，對應(yīng)力集中處形成漏磁場的特性進行檢測，并對危險部位作出可靠評價的一種無損檢測方法[1]。便攜式磁記憶檢測儀的設(shè)計開發(fā)，結(jié)合設(shè)備的實際情況，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于磁記憶無損檢測領(lǐng)域，研制智能化程度高、操作簡單實用的便攜式磁記憶檢測儀，滿足野外條件下進行現(xiàn)場檢測的要求，確保設(shè)備安全運行，避免惡性事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

結(jié)合便攜式磁記憶檢測儀的應(yīng)用背景和現(xiàn)場檢測的實際要求，應(yīng)遵循以下幾點原則：1）實用性。設(shè)計的系統(tǒng)功能齊全，應(yīng)包含磁記憶檢測儀所需的基本功能，運行安全可靠，操作簡單方便，界面友好，便于攜帶，符合現(xiàn)場檢測實際應(yīng)用要求；2）可擴充性原則：系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各模塊獨立性強，模塊的增加、減少或修改對整個系統(tǒng)的影響小，便于系統(tǒng)的改進升級，使系統(tǒng)可以不斷完善。

便攜式磁記憶檢測儀硬件系統(tǒng)采用核心板+功能底板的開發(fā)模式，構(gòu)建以S3C2440A微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺，采用這種結(jié)構(gòu)可靠性高，擴展性強，便于以后硬件平臺的升級和完善。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，處理器最小系統(tǒng)作為檢測儀的控制核心，單獨做成一塊核心板，主要包括能夠使處理器正常工作的基本電路；功能底板是在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配置了通信模塊、人機交互模塊和I/O擴展模塊等。由檢測探頭捕獲的磁記憶信號經(jīng)放大濾波處理后直接送往S3C2440A自帶的ADC進行數(shù)模轉(zhuǎn)化，無需單獨增加A/D轉(zhuǎn)換模塊，簡化了電路，符合嵌入式磁記憶檢測儀便攜性的設(shè)計要求，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。

硬件電路的工作原理為：當傳感器獲取磁記憶檢測信號，經(jīng)調(diào)理電路進行放大濾波處理后，使其符合A/D采樣電壓要求，再通過嵌入式平臺對磁記憶信號進行分類處理，進而完成對缺陷的識別。儀器提供了良好的人機交互，通過觸摸屏控制，可對檢測數(shù)據(jù)進行顯示、存儲等操作。同時，檢測數(shù)據(jù)可以通過外圍接口傳給上位機，為磁記憶檢測理論研究提供真實可靠的數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計遵循模塊化的設(shè)計思想，完成了便攜式磁記憶檢測儀硬件系統(tǒng)設(shè)計。下面從便攜式磁記憶檢測儀檢測探頭的設(shè)計、硬件平臺核心板的選擇、功能底板的電路設(shè)計以及硬件抗干擾設(shè)計4個方面闡述便攜式磁記憶檢測儀硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。

圖1 便攜式磁記憶檢測儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of portable measuring system in MMT

2.1 磁記憶檢測探頭設(shè)計

磁記憶檢測技術(shù)是通過檢測應(yīng)力集中區(qū)形成的漏磁場實現(xiàn)缺陷檢測的，即磁記憶信號反應(yīng)的是由于應(yīng)力集中造成的自有漏磁場的變化。為了采集微弱的漏磁場信號，設(shè)計高性能的檢測探頭這對整個檢測過程至關(guān)重要，直接影響檢測儀的精度和靈敏度[2]。本文設(shè)計選用Allegro公司的A1302線性霍爾傳感器對被檢對象磁場進行測量。

傳感器模塊具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作流程為：將傳感器安裝至鋁質(zhì)合金蓋上，屏蔽罩屏蔽外部磁場干擾，磁記憶信號經(jīng)過鋁質(zhì)合金蓋進入傳感裝置，聚磁片對該磁場進行聚磁，霍爾傳感器感應(yīng)聚磁后的磁場信號經(jīng)引線傳出作為探頭的輸出。

圖2 傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sensor module structure

傳感器的提離值對檢測的靈敏度至關(guān)重要，為減小提離效應(yīng)的影響，在檢測過程中，探頭需要保持貼近被檢工件表面。利用浮動的壓簧裝置可實現(xiàn)這一要求，壓簧頂端被支架固定，底端壓住探頭貼近工件表面，當?shù)装灞砻娌黄秸麜r，探頭被頂起，壓簧變形可承受其位移。同時，鋁質(zhì)合金蓋兩側(cè)設(shè)計成倒角，使探頭在移動過程中平滑過渡，以免直接撞上工件表面上的突起而減少探頭使用壽命，同時也會影響傳感器接收信號。

2.2 硬件平臺核心板的選擇

構(gòu)建一個嵌入式系統(tǒng)硬件平臺，首先需要根據(jù)功能需求選擇一款合適的嵌入式微處理器，這是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中最為關(guān)鍵的部分。在選擇處理器時，主要考慮的因素有：處理性能、技術(shù)指標、功耗、軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具等。本設(shè)計根據(jù)便攜式磁記憶檢測儀的設(shè)計要求，選擇三星公司的S3C2440A微處理器作為檢測儀的控制核心，構(gòu)建了基于S3C2440A處理器的嵌入式平臺。S3C2440A嵌入式微處理器芯片使用ARM920T架構(gòu)，兼容16位的Thumb指令和32位的Arm指令，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，擁有32位數(shù)據(jù)總線，其在功耗及處理能力方面均處于業(yè)界領(lǐng)先地位?；谇度胧浇Y(jié)構(gòu)的磁記憶檢測儀需要同時執(zhí)行大量的任務(wù)，例如實時波形顯示，參數(shù)計算，數(shù)據(jù)分析保存等，對處理器的運行速度和效率有著較高的要求，S3C2440A微處理器主頻可高達533 MHz，指令執(zhí)行速率可達1.1 MIPS/MHz，可以滿足磁記憶檢測儀的設(shè)計要求。S3C2440A提供了外部存儲控制器，通過擴展大容量的外部存儲，可以存儲更多數(shù)據(jù)和參數(shù)。S3C2440A支持LCD觸摸屏，使人機交互更為方便。

磁記憶檢測儀選用飛凌公司生產(chǎn)的FL2440核心板，其技術(shù)工藝成熟，運行可靠穩(wěn)定，標稱工作頻率為400 MHz，采用DIMM144標準接口。FL2440核心板作為便攜式磁記憶檢測儀的運算和控制中心，負責控制數(shù)據(jù)的采集和處理、缺陷識別、波形實時顯示等功能，其主要由S3C2440A嵌入式微處理器、時鐘電路和外部存儲器等組成。

2.3 功能底板電路設(shè)計

根據(jù)便攜式磁記憶檢測儀的設(shè)計要求，在功能底板設(shè)計時不僅需要考慮基本的功能端口，還需考慮系統(tǒng)調(diào)試接口的設(shè)計，其主要包含以下具體電路模塊：USB接口、JTAG調(diào)試接口、RS232接口、LCD觸摸屏接口、SD卡接口、調(diào)理電路以及電源電路和復(fù)位電路。

1）USB接口電路 本設(shè)計USB接口電路主要有 3大功能：第一個功能是下載系統(tǒng)內(nèi)核，避免由于WindowsCE系統(tǒng)內(nèi)核較大，通過串口下載速度緩慢的問題[3]；第二個功能是調(diào)試應(yīng)用程序，通過USB接口和ActiveSync工具建立PC機和WindowsCE系統(tǒng)之間的通訊連接，便于程序調(diào)試和更新；第三是可以外接多種USB設(shè)備進行功能擴展。本設(shè)計有一個USB主設(shè)備接口和一個USB從設(shè)備接口。

2）RS232接口電路 檢測儀的設(shè)計中，RS232接口主要用于系統(tǒng)調(diào)試，通過RS232接口使用三星公司提供的DNW調(diào)試軟件燒寫B(tài)ootLoader和系統(tǒng)內(nèi)核[4]。S3C2440A提供了3個串口，可工作在DMA模式或者中斷模式，支持5位、6位、7位或者8為數(shù)據(jù)傳輸，波特率可調(diào)，本設(shè)計采用波特率為115 200 bps的傳輸速度。

3）LCD觸摸屏接口電路 目前LCD顯示器主要有 STN和TFT兩種，其顯示原理基本相同，不同的是相對STN屏而言，TFT屏色彩更亮，功耗更低[4]，因此在本設(shè)計中選用臺灣群創(chuàng)公司生產(chǎn)的7英寸真彩TFT顯示屏AT070TN83。S3C2440A內(nèi)部集成了LCD控制器，LCD可以作為外設(shè)直接掛接到系統(tǒng)總線上。本設(shè)計采用四線電阻式觸摸屏，點數(shù)為800 480，主要的信號線有四根，分別是 XP、XM、YP、YM，在點擊觸摸屏的時，觸摸點會發(fā)生電壓變化，觸摸屏控制器控制ADC對該電壓進行采樣，根據(jù)原先設(shè)定的參考坐標計算出觸摸點的坐標，然后再跳轉(zhuǎn)到相對應(yīng)的中斷去執(zhí)行子程序。觸摸屏控制信號連接匹配電阻可以實現(xiàn)更遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，其中TSXP和TSXM用于連接四線電阻式觸摸屏X組引腳，TSYP和TSYM用于連接Y組引腳。

4）信號調(diào)理電路 當工件被飽和磁化后，使用A1302霍爾傳感器捕獲該漏磁場，其輸出電壓只有幾十毫伏。為了與S3C2440A內(nèi)部集成的ADC的輸入電壓范圍（0～3.3 V）匹配，需要設(shè)計一個合適的信號調(diào)理電路，將傳感器輸出的電壓信號放大到ADC所能接收的電壓范圍內(nèi)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

信號調(diào)理電路原理圖如圖3所示，選用儀用放大器INA128構(gòu)成差分放大電路，放大器IN+輸入端接傳感器輸出信號SENSOR_OUT，輸出端接嵌入式平臺的ADC接口，放大器的輸出可通過如下公式計算得到。

為了方便調(diào)節(jié)放大器的增益，本設(shè)計采用程序控制的方法，即通過軟件控制得到合適的增益。設(shè)計中選用X9C103數(shù)字電位器作為放大器的反饋電阻，通過改變數(shù)字電位器的阻值來實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。電路中的電位器R5用來調(diào)整放大器的參考電壓REF，保證放大器輸出電壓在0～3.3 V范圍內(nèi)。

圖3 信號調(diào)理電路Fig.3 Circuit of signal adjusting

2.4 硬件抗干擾設(shè)計

為了提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性，在硬件設(shè)計時必須充分考慮儀器的抗干擾性[6]，而且需要將抗干擾設(shè)計貫穿于整個設(shè)計過程。本文設(shè)計的S3C2440A嵌入式平臺主頻高達400 MHz，總線上的速率也達到100 MHz，屬于高速數(shù)字電路，在PCB設(shè)計過程中必須遵循高頻電路設(shè)計的基本原則，如：根據(jù)硬件功能進行模塊化布局；合理配置去藕電容；合理設(shè)計地線；提高敏感元件抗噪性能等。設(shè)計完成后的LCD顯示界面如圖4所示。

圖4 便攜式磁記憶檢測儀顯示檢測信號Fig.4 Display of detection signal in portable magnetic memory detector

3 結(jié)束語

結(jié)合磁記憶檢測的應(yīng)用背景和現(xiàn)場檢測的實際要求，遵循可行性、實用性和可擴充性原則，設(shè)計了基于嵌入式結(jié)構(gòu)的便攜式磁記憶檢測儀，具有體積小、功能強、可靠性高等優(yōu)點，有利于儀器的小型化、集成化，從根本上克服了基于PC系統(tǒng)檢測儀體積大、功耗高的缺點。

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