物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統研究

畢 野

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統研究

畢 野

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

為了能夠在線無損檢測設備內部缺陷與損傷，本文設計一種物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統。該系統通過信號發生器產生脈沖寬度調制波經過放大后驅動探頭；探頭采集被測試件的缺陷與損傷信號，將含有缺陷和損傷的磁信號轉換成電信號，經過調理電路后，在模數轉換部分將電信號轉換為數字信號傳輸至STM32f107內;在控制器控制下通過物聯網傳輸至PC機，然后PC機對信號進行分析與顯示。

物聯網；嵌入式；遠程數據；脈沖渦流檢測

0 引言

檢測技術正朝著無需破壞被檢件、快速檢測并建立有效的評價體系發展。脈沖渦流檢測原理是在漆包線中通入占空比可調的 PWM波，被測件中會感生出磁場，停止向線圈中輸入 PWM波時，線圈周圍會產生電磁場，該磁場由線圈中耦合的一次磁場和被測件中感應的二次電磁場疊加而成，后者包含了被測件的缺陷與損傷信息，采取合適的方法對二次磁場進行測量、分析，即可得到被測構件缺陷與損傷信息[1-2]。

1 脈沖渦流無損檢測系統

本文設計的物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統主要由控制管理、數據采集、無線通訊、存儲及各部分接口構成。通過先進的通訊網絡將各部分連接在一起，通過上位機處理器對數據進行集中處理，從而實現對脈沖渦流檢測各項信息的智能化管理。

2 基于嵌入式的硬件平臺設計

2.1 系統整體方案設計

本系統中下位機負責采集數據、信號處理，然后通過物聯網傳輸到上位機PC端，PC端負責數據的分析、處理與顯示[3]。設計方案如圖 1所示，采用STM32芯片和u C/OS-II操作系統[4]。該系統的通過信號發生器產生占空比可調的 PWM波，經過功率放大器放大作用于激勵線圈；傳感器采集次生和原生磁場的合成磁場并轉換為電信號；電信號經過調理電路在A/D轉換器內進行A/D轉換；GU906物聯網模塊把采集到的含有被測件的缺陷和損傷信息通過無線傳輸至PC端存儲分析顯示[5]。

圖1 物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統Fig.1 Embedded pulse eddy current nondestructive testing system for internet of things

2.2 系統的硬件設計

硬件設計包括信號采集、前端微處理器和物聯網模塊。其中信號采集是由信號發生器、探頭、功率放大器、信號調理電路和模數轉換電路構成；前端微處理器是由控制芯片及相關電路構成；物聯網模塊采用帶有無線透傳模式的GPRS芯片及其外圍電路構成。

2.2.1 控制器電路硬件設計

圖2 控制器及其外圍電路Fig.2 Controller and its peripheral circuits

控制芯片采用 stm32f107芯片。如圖2所示，電源輸入12V經過LM2596、AMS1117和MIC29302后分別輸出5V、3.3V和4.2V為系統各部分供電；FLASH存儲器通過SPI通訊方式與控制連接。該芯片的片選引腳、時鐘引腳、接收與發送引腳分別與控制器的PC6、PB13、PB14、PB15連接，PB13、PB14和 PB15引腳可以通過軟件設置端口復用功能，使其成為SPI通訊接口。

2.2.2 物聯網模塊硬件電路設計

GPRS部分采用帶DTU功能的GU906芯片，如圖3所示，該模塊的7、8、9、10引腳分別連接SIM卡的電源、復位、時鐘和輸入輸出引腳。34、35引腳為4.2V供電引腳，31、32引腳是與SIM通訊的TXD、RXD引腳，GSM_ANT引腳為ipex接線端口，通過ipex轉sma線和GSM天線連接，增加信號強度。SIM卡槽插入電話卡即可利用流量傳輸數據。其中2PIN懸空，3PIN接地，1、4、5、6PIN分別為輸入/輸出、CLK、RST和VCC，與無線透傳模塊連接。

2.2.3 信號調理電路硬件設計

調理電路部分由放大和濾波電路構成，如圖4所示，其中放大部分由三運放差分放大電路構成，兩個 OPA335芯片構成差分放大部分，再串聯一個UA741CD。濾波電路由兩個一階低通濾波電路和一個 UA741CD運算放大器串聯構成。濾波部分中UA741CD在濾波的同時還可以將信號的有用頻率進行放大；濾波器中還設計了反饋網絡，穩定輸出電壓。該濾波器的的優點是：體積小、重量輕、不需要磁屏蔽，其作用就是將信號進行濾波、放大、遠傳，與傳感器配合使用，能夠提高系統的適應度和環境可靠性。

2.2.4 模數轉換的硬件設計

本文要實現實時采集數據，要求測量精度高、抗干擾能力強，因此選擇ADS1256模數轉換器，該模塊數據采集精度為24位[6]。電源地與數字地采用分割地線繪圖，防止相互干擾[7]。如圖 5所示，本系統將芯片 AINCOM 引腳接地設置為 8路單端輸入，該模塊與控制之間通過SPI協議通訊。由于AIN0與AIN1、AIN2與AIN3、AIN4與AIN5、AIN6與AIN7之間在芯片內部是有默認差分關系的，所以在她們之間通過并聯電容的方式去除干擾。

圖3 物聯網模塊電路Fig.3 Internet of things module circuit

圖4 調理電路Fig.4 Conditioning circuit

圖5 模數轉換電路Fig.5 a/d converter circuit

在上述模數轉換電路中使用的 2.5V參考電壓是ADR431通過5V電壓得到的。5V電壓通過0.1uF和10uF兩個電容并聯濾波后接到ADS431的2PIN上，4PIN接GND，6PIN通過10uF的電容后接入模數轉換芯片的VREFP腳。ADR431的其他引腳懸空。

2.2.5 實物圖展示

圖 6、圖 7分別為數據采集、控制器以及物聯網模塊正面實物圖和背面實物圖。布板依據走線電流朝同一方向；電阻電容排列整齊美觀；同一層上電源線和信號線遠離；差分通訊信號走線一致，走線線路等長對稱等原則，使得電路板工作穩定。

2.2.6 信號發生電路的硬件設計

信號發生部分是由 STC15L2K60S2單片機、MCP41010和串行數模芯片TLC5615及其外圍部分構成。STCl5L2K60S2具有新一代增強型8051CPU[8]。TLC5615芯片輸出為電壓型，最大輸出電壓為基準電壓值的兩倍[9]。MCP41010是一種集成數字電位器，其中PA0，PB0為電位器的兩個終端。MCP41010工作電壓為 2.7至 5.5V[10]。如圖 8所示，利用STC15L2K60S2單片機通過SPI通信控制TLC5615來調節正弦波的頻率、相位，通過 IIC協議發送指令控制 MCP010，再經過放大器 LM5615控制正弦波幅值[11]。圖9為信號發生器實物圖，由于三極管和變壓器功耗較大，所以選擇直插方式布板，板上多處安裝散熱片，使得電路板工作穩定。

2.2.7 探頭的硬件設計

圖6 數據采集、控制器以及物聯網模塊正面實物圖Fig.6 Data acquisition, controller and the physical map of the internet of things module

圖7 數據采集、控制器以及物聯網模塊背面實物圖Fig.7 Data acquisition, controller and the back of the physical map of the internet of things module

圖8 信號發生器電路圖Fig.8 Signal generator circuit diagram

探頭是由漆包線、錳鋅鐵氧體磁芯、TMR傳感器電路構成，如圖 10所示，TMR傳感器采用TMR2102芯片，特點和好處是采用隧道磁電阻技術、高靈敏度、大動態范圍、低功耗、優異的熱穩定性、低磁滯，在-150高斯到30高斯內是線性的。該芯片6PIN為VCC腳，5V經過兩個濾波電容后為該芯片供電，3、4PIN接GND，5PIN為輸出引腳，經過1k電阻與滑動變阻器相連，調節滑動變阻器使得初始狀態輸出為零。

圖9 信號發生器實物圖Fig.9 Signal generator physical map

圖10 磁傳感器電路圖Fig.10 Magnetic sensor circuit diagram

脈沖渦流采集磁場方式可以分為線圈采集和磁敏傳感器采集。檢測部分選擇磁傳感器，不選擇線圈檢測方式，原因是線圈采集方式只對高頻磁場變化比較敏感。磁傳感器電路采用貼片式TMR磁傳感器芯片。磁敏電阻傳感器電路板緊貼錳鋅鐵氧體磁芯底部且平行于水平面放置。TMR傳感器電路包括電源輸入及穩壓電路、TMR芯片和信號輸出端。兩個磁傳感器芯片分布在電路板的兩面，分別采集兩個軸向上的磁場信號[12-13]。

3 系統的軟件設計

物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統軟件設計中，STC15L2K60S2單片機程序的開發包括脈沖寬度調制波形的產生，嵌入式STM32控制器程序的開發包括物聯網模塊和控制器各端口的初始化。PC端程序設計包括數據的接收、分析處理和顯示[14]。嵌入式部分其程序流程圖如圖11所示。

3.1 系統主要功能程序代碼

主函數程序如圖12所示。

系統各端口、資源及DMA初始化如圖13所示。

模數轉換部分程序如圖14所示。

物聯網部分程序如圖15所示。

波形發生部分程序如圖16所示。

圖11 下位機程序流程圖Fig.11 Lower computer program flow chart

圖12 系統主函數程序Fig.12 System master function program

圖13 系統各端口、資源及DMA初始化Fig.13 System ports, resources, and DMA initialization

圖14 模數轉換部分程序Fig.14 a/d converter part program

圖15 物聯網部分程序Fig.5 parts of the internet of things procedure

圖16 波形發生器程序Fig.6 w aveform generator program

4 結論

本系統以嵌入式為開發平臺、無線GPRS網關、TMR磁傳感器探頭為前端信息采集核心，構建嵌入式脈沖渦流無損檢測系統硬件平臺；以無線路由及計算機接收為顯示終端，完成將缺陷與損傷信息通過局域網傳給服務器達到實時監測的目的。該無線傳輸抗干擾能力強，設備可多點采集、處理速度快，能夠滿足大多數現場設備檢測需要。

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Research on Embedded Pulse Eddy Current Nnondestructive Testing System Based on Internet of Things

BI Ye
(Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650500, China)

In order to detect the internal defect and damage of the components of the equipment online, a kind of embedded pulse eddy current nondestructive testing system based on internet of things is designed. The system generates pulse width modulation wave through the signal generator. After amplify the wave driving probe. The probe collects the defect and damage signal, converting the magnetic signal into electrical signal, and after adjusting circuit, converts the electrical signal into digital signal in the analog-digital converter. Under the controller control, the signal through the internet of things transfer to PC, then analyze and display the signal in PC.

Internet of things; Embedded; Remote data; Pulsed eddy current testing

TP23

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.032

本文著錄格式：畢野. 物聯網嵌入式脈沖渦流無損檢測系統研究[J]. 軟件，2017，38（11）：168-174

畢野(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：脈沖渦流無損檢測。