基于TDC—GP22實現的嵌入式超聲波鋼材內裂檢測探傷系統設計

晏宇 王軍民 朱世杰

摘要：本文提出了一種基于TDC-GP22實現的嵌入式超聲波鋼材內裂檢測探傷系統設計方案。該設計采用ATmega328P為控制芯片，用戶通過操作上位機液晶屏控制嵌入式系統，功能分為自動模式和手動模式，其下功能細分為開始測量、停止測量、校準、復位、實時顯示。解決了目前超聲波測距測厚設備對于鋼材品質檢測數據準確性差的問題。

關鍵詞：超聲波；TDC-GP22；ATmega328P；嵌入式；探傷

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0186-02

當今社會，鋼材質量的檢測對于冶金業不斷改進更新技術，提高產品品質，生產出符合標準的鋼材，以及用以指導購買用戶根據產品檢驗報告結果合理選用鋼材具有重要的實際意義。通過對鋼材產品和半成品的檢驗，可以發現其存在的質量缺陷，查明存在缺陷的位置并核實原因，逆向指導生產環節規范化，同時也盡可能地杜絕不合格鋼材存在的潛在危險。內裂是鋼材的主要內部缺陷之一，人們通常把未延伸至表面的內部斷裂統稱為內裂，表現為氣泡等造成的不同形態的裂縫。現在工業中最常用的檢測方法之一就是超聲波檢測，優勢在于不破壞和不損傷受檢物體，檢測的深度較大，對于有缺陷位置的定位更加準確，對應用而言使用方便、成本低、檢測速度快、適用于各種復雜苛刻的現場環境且無污染無危害，本文所介紹的就是這種檢測探傷方法。對于超聲波時差的計算，采用最新TDC-GP22芯片測量，精度高，反應靈敏，對提高系統的測量準確性至關重要。本文結合上述特點展開設計。

1 設計整體結構

1.1 系統結構

整個系統設計分為上位機系統部分和下位機系統部分，用戶在使用的時候通過上位機的USART HMI液晶屏的用戶界面發出指令，通過無線藍牙串口主從透傳模塊接收指令信號，進而將信號傳給下位機系統進行數據處理，從而驅動TDC-GP22模塊上通過換能器實現數據的采集。

1.2 超聲波鋼材內裂檢測探傷原理

本設計采用的是接觸式測量方式，可以選擇人工手持、機械臂操作等，使用場景廣泛，由于換能器對接觸面的要求是越平整越好，在車間工作的過程中，鋼材表面大量的灰塵和鐵銹粉，這就使耦合劑的使用很關鍵，可以大大提高測量精度。超聲波的測量原理如圖1的左邊a）所示：換能器發出超聲波，接觸面返回第一次反射波，得到第一飛行時間，超聲波進入鋼材并沿直線傳播，當到達鋼材與空氣的介質臨界面的時候，也就是到達鋼材下表面的時候，返回第二次反射波，得到第二飛行時間，其時間差即為飛行時差，將飛行時間乘以超聲波在鋼材中的傳播速度，即可得到無損無內裂鋼材厚度。若出現如圖1的右邊b）所示：第二次反射波未成功到達鋼材下表面，而是中途遇到氣泡或褶皺等鋼材內裂的狀況，就會返回非正常第二次反射波，進而得到非正常第二次飛行時間，由于TDC-GP22對時間的測量精度很高，這種方式得到的飛行時差會比正常飛行時差短得多，這樣計算得出的距離就是內裂存在于鋼材內部的深度，因此可以通過縱橫距離準確定位內裂位置。

1.3 結構器件的選型

（1） 單片機控制模塊。本次設計采用ATMEL公司的增強型內置Flash的RISC高速8位AVR系列單片機。該系列單片機包含了低、中、高檔三種，前兩種現在基本已經淘汰，高檔ATmega系列中ATmega328P 芯片具備眾多優點，功能強大、反應快、工業級性能穩定、價格低、接口豐富、功耗低，故選用ATmega328P型號單片機。

（2） 無線模塊。本次設計采用HC系列無線藍牙串口通訊模塊。該系列模塊包含常用的HC-05、HC-06、HC-08等，其中HC-08無線藍牙串口通訊模塊是新一代產品，性能佳成本不高，故選用HC-08作為藍牙通訊模塊。

（3） 測量模塊。TDC-GP系列芯片是以時間數字轉換器為核心的一種測量芯片，可以很精確的測量兩脈沖之間的時間間隔，使之非常適合超聲波檢測領域。最新的TDC-GP22內部集成了模擬電路輸入，模擬信號可以直接作為時間測量的STOP信號被芯片識別，大大簡化了芯片外圍電路，其內部集成了第一波識別模式，將對事件測量的精度提升到22ps，對時差法測量應用有極大的促進，體積小、功耗低，非常適合高精度持續動態測量工作。故選用TDC-GP22芯片。

（4） 用戶界面顯示模塊。應用USART HMI屏幕，應用范圍廣，對硬件幾乎沒有任何要求，沒有速度瓶頸，界面的顯示是設備內部獨立實現的，其布局和大多數邏輯，無須MCU參與只是發送指令，使用方便、生產成本低，顯示效果好，故選用 TJC3224T024_011型號液晶屏。

（5） 傳感器模塊。超聲波檢測需要將電能和聲能相互轉換，這里用到換能器，主要性能指標有：工作頻率、溫度和靈敏度等。由于對測量精度要求較高，這里選用專業超聲波探頭，參數為測量范圍1.2-225mm鋼，探頭直徑10mm，頻率5MHZ，接觸溫度-10～+60℃的5P10 PT-12型號的接觸式超聲波探頭。

（6） 電源模塊。穩壓電路選用LM系列和AMS系列芯片，優點有：性能穩定、體積小、價格低廉使用非常方便。電路中對所用到的12V、5V、3V3，此處分別選用LM7812、LM7812、AMS7812型號穩壓芯片。采用14.8V 鋰電池作為供電電源，體積較小，電量大，可重復利用供電穩定。

2 硬件電路設計

2.1 單片機控制電路

本設計中用于上位機系統和下位機系統中的單片機控制電路如圖2所示，針對融合上位機用戶界面和對下位機測量工作的控制，設計的最小系統，包含最小系統時鐘電路和復位電路等。

2.2 TDC-GP22測量電路

本設計用于下位機系統中測量模塊的測量電路，如圖3所示。其中GP22外接32.768KHZ晶振的問題，在老版本的GP2芯片上的CLK32in和CCLK32out兩引腳上直接連接振蕩電路，那么電流將高達4.5A，所以需要使用外部單片機引腳將電流降至0.3V以下以降低系統功耗，而在GP22上的時鐘控制單元做到了低功耗，將內部配置寄存器1的控制字CURRR32K置零，當處于低電流模式時，接上32，768KHZ的晶振電路電流近0.5A，并且還可以通過控制字SELTSTO1設置FIRE_IN管腳輸出32.768KHZ的時鐘信號，這樣設計既簡化了電路，又兼顧了低功耗。

2.3 穩壓電路設計

本設計用于電源模塊的穩壓電路，如圖4所示。輸入的14.8V電壓，分別選用LM7812型號、LM7812型號、AMS7812型號穩壓芯片轉化成了12V、5V、3V3。

3 軟件部分設計

3.1 GUI用戶界面設計部分

本次設計使用的是HMI串口液晶屏，使用USART HMI專用軟件編寫環境，根據液晶屏型號TJC3224T024_011配置工作界面，把需要的功能以控件的方式放入模擬顯示區域，由于需要用戶操作的功能分為自動模式和手動模式，其下功能細分為開始測量、停止測量、校準、復位、實時顯示。根據功能對控件進行編程，以命令字的方式發給MCU進而控制系統工作。

3.2 單片機控制軟件部分

本次設計使用的是ATmega328P芯片，使用的是ARDUINO硬件環境，將ARDUINO對應的Bootloader燒寫入AVR芯片，然后使用ARDUINO IDE開發環境編程調試。上位機MCU接收HMI發來的控制字，調用對應功能函數，同樣以命令字的方式通過串口使用藍牙模塊將信號發給下位機的MCU，根據命令調用功能函數，通過SPI總線發送命令控制TDC-GP22，通過STOP1和STOP2引腳發射脈沖，計算得到飛行時間差，由下位機MCU計算得出超聲波深入距離，將所得距離數據通過藍牙模塊回傳給上位機，由用戶GUI 界面實時顯示。

4 結論

本文設計的嵌入式超聲波鋼材內裂檢測探傷系統解決了目前超聲波測距測厚設備對于鋼材品質檢測數據準確性差的問題，由于本系統設備使用場景有著很好的豐富性，對于將來的優化和改進提供了很大的便利。

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【通聯編輯：李雅琪】