基于Web遠端控制的無線式電容無損檢測系統

殷曉康， 鄧承杰， 朱鵬飛， 高 偉， 李 偉

（中國石油大學（華東）a.海洋油氣裝備與安全技術研究中心；b.計算機科學與技術學院，山東青島266580）

0 引 言

近年來，各種帶絕緣包覆層的金屬材料和非金屬復合材料大量應用在工程裝備中［1］。針對此類裝備，傳統渦流、超聲和X射線檢測等技術存在局限，如渦流檢測僅適用于金屬材料，應用范圍受限；超聲檢測需使用耦合劑，涉及效率與效益問題；射線檢測速度慢，需要進行輻射防護［2-4］。

共面電容成像無損檢測技術因其無需耦合、非接觸，可從單側檢測非金屬復合材料表面與隱藏缺陷和金屬材料表層缺陷的優勢，逐漸成為檢測領域研究熱點［5］。在現有共面電容無損檢測系統中，主機與電容探頭通過線纜連接，使用時操作人員需同時攜帶主機與探頭；若將主機置于地面，使用長線纜連接探頭，則檢測信號易受線纜擾動影響。同時現有系統由功能相對獨立的功能模塊構成，成本高、電路復雜、擴展性差，用于相關課程實驗教學時，只適用于原理演示，不易于實施多臺套實際操作實驗。

本文設計了一種基于Web交互技術的無線式共面電容無損檢測系統。系統使用電容-數字轉換器替代傳統信號調理電路，成本更低、功耗更小。圍繞以STM32為核心的手持式儀器，開發了本地Web服務器軟件，設計了交互網頁，并使用典型試塊對系統的性能進行了測試。

1 檢測系統功能和總體設計

按照功能劃分，系統由交互網頁、本地Web服務器和手持儀器三部分構成，分別對應網頁端、中轉節點和儀器端。簡化系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

網頁端為用戶提供交互界面，實現儀器控制與信號波形實時顯示功能。中轉節點作為網頁端與儀器端信息傳遞的媒介，通過無線網絡為用戶提供Web服務，通過藍牙透傳為儀器提供接入途徑。儀器端接收中轉節點控制指令，對缺陷進行掃查，回傳掃查數據。

網頁端設備與中轉節點通過WiFi通信。作為常見網絡接入手段，WiFi操作簡便、數據傳輸速率高的特點［6］，降低了系統聯網難度，同時也保證了網頁端數據可視化的實時性。儀器端通過藍牙與中轉節點連接，實現雙向通信［7］。藍牙作為廣泛普及的低功耗近距離通信技術，解決了傳統檢測設備有線連接布線復雜［8］、操作距離短的問題。

儀器端以STM32G0最小系統為核心，由微小電容測量模塊、藍牙通信模塊、數據存儲模塊、USB串口調試模塊、實時時鐘模塊、電源管理模塊、功能拓展IO等組成，并帶有4個獨立的狀態指示燈。中轉節點是獨立于網頁端和儀器端的設備，主要包括基于Flask框架實現的Web服務器和使用USB藍牙收發器的信息交互設備。

2 檢測系統硬件設計

2.1 無損檢測儀硬件設計

無損檢測儀主要包含微控制器及其最小系統、電源模塊、藍牙通信模塊、探頭信號處理模塊及USB串口調試模塊等，儀器實物裝配如圖2所示。

圖2 無損檢測儀實物裝配圖

（1）微控制器及其最小系統設計。儀器使用意法半導體STM32G071微控制器。該微控制器采用32位ARM Cortex-M0內核，工作頻率64 MHz。微控制器最小系統由微控制器、匹配晶振、復位電路和電源電路組成。

（2）電源模塊設計。儀器采用自主設計的升壓供電方案，供電電壓可低至1.2 V，單節AA電池即可滿足需求，可連續作業達10 h，并實現了一鍵開關機功能。自恢復按鈕SW1短按開機，微控制器上電運行后，輸出高電平至連接點P1，保證電源繼續運行。SW1長按關機，電平信號由連接點VCC＿State送微控制器，微控制器接收信號后切換連接點P1為低電平，切斷系統電源。電源模塊原理如圖3所示。

圖3 電源模塊工作原理圖

（3）藍牙通信模塊設計。儀器的藍牙通信模塊使用CH9141串口BLE模塊，在其外部添加一顆LED作為狀態指示燈使用。RST引腳為低電平復位引腳，RA引腳為恢復出廠設置、AT透傳功能切換引腳。在儀器中，藍牙模塊使用AT配置為從機模式，透傳使用異步串口，波特率為1 152 Kb／s。

（4）探頭信號處理模塊設計。探頭信號處理模塊使用亞德諾（ADI）的AD7746電容數字轉換器實現。該芯片內置Σ-Δ電容數字轉換器（CDC）［9］，最大采樣頻率90 Hz，量程范圍±4 pF，精度高達4 fF。AD7746內置的溫度傳感器可輔助實現溫度補償功能，芯片支持兩路電容采樣，通過將輸入配置為差分模式，可直接與傳感器兩端相連［10-11］。芯片采用16引腳TSSOP封裝，兼容I2C串行接口。

（5）USB串口調試模塊設計。USB調試模塊使用USB轉串口芯片CH330實現。CH330為SOP-8小封裝形式，支持3 V和5 V供電。硬件全雙工，支持最高2Mb／s通信波特率。由于USB接口為5 V供電，微控制器為3.3 V供電。為防止微控制器或CH330中任意一方上電而另一方掉電時，出現電流倒灌，在微控制器串口引腳與CH330串口引腳之間加入隔離芯片π122U31。

（6）其他模塊。高精度實時時鐘使用STM32G0內置的RTC模塊實現，時鐘外部供電采用CR1220小尺寸紐扣電池。功能拓展口為4針通用輸入輸出（GPIO）接口，從微控制器引出，可模擬SPI、I2C等接口連接外部器件，拓展系統功能。

2.2 專用共面電容探頭設計

儀器通過配套共面電容探頭獲取被測對象缺陷信息。電容探頭采用可更換的設計與插裝連接方式，可根據應用場合與檢測對象的不同選配探頭，提高了儀器的靈活性。兩種典型的可更換電容探頭如圖4所示，（a）為具有較大穿透深度的電容探頭，（b）為具有較高分辨率的電容探頭。

圖4 共面電容探頭實物圖

2.3 USB藍牙收發器設計

藍牙收發器通過USB連接到中轉節點，是節點與儀器的通信設備。收發器使用USB接口取電，經低壓差線性穩壓器產生3.3 V工作電壓。采用CH9141藍牙模塊，通過CH330實現串口與USB的雙向轉換。設計有復位與重置撥碼開關，使模塊具有不斷電復位與重置功能。收發器實物如圖5所示。

圖5 藍牙收發器實物圖

3 儀器封裝設計

儀器整體封裝由箱體、箱蓋、底部探頭背板和USB防水孔塞組成。儀器所使用共面電容探頭安裝在背板底部，背板與機箱采用導軌式滑動安裝方案。儀器可單手持握，操作簡單方便，儀器實物與持握效果如圖6所示。

圖6 儀器實物與持握效果

4 檢測系統軟件設計

4.1 嵌入式程序總體方案

為實現儀器的基本功能，分別設計并實現了系統通信、探頭信號處理、小型數據庫、系統電源管理和調試支持子程序。子程序由更上層的調度和守護程序統一管理。

通信程序負責藍牙模塊的維護，包括自動連接、掉線重連、指令收發和數據傳輸等。探頭信號處理程序實現對探頭信號處理模塊的控制功能，包括信號的實時采樣、激勵電壓設置、探頭信號校準、采樣速率設置等。數據庫結合E2PROM和Flash兩款不同數據存儲芯片實現。其中，Flash保存檢測獲取的數據，E2PROM保存數據的索引信息，包括檢測作業的時間信息和數據存放的物理位置等。電源管理程序實現儀器一鍵開關機的功能。程序總體框架圖如圖7所示，圖中藍色部分為芯片廠商提供的庫文件，通過調用庫文件API間接操作底層寄存器，可降低程序開發難度，也使程序易于維護［12-13］。橙色為自主設計的軟件程序。

圖7 嵌入式程序總體框架圖

4.2 儀器核心調度程序設計

核心調度程序負責對用戶輸入（以下稱命令）進行響應，并調用圖7中的下級子程序實現預定的功能。

調度程序在主main（）函數中while循環內以輪詢的方式執行。外部命令以中斷方式接收，中斷內對全局標志變量進行修改。調度程序通過對標志標量進行檢查，確認有無命令輸入。如有命令輸入，則產生響應。

調度程序每收到一條有效命令，至少返回一條狀態消息作為響應。所設計命令如表1所示。

系統時間設置命令后接“年月日星期時分秒”，例如“2020年12月21日12點整”表達為“［T］201221120000”。命令執行后，儀器回應“Execution Succeed.”作為返回信息。

4.3 儀器藍牙連接流程設計

儀器開機后，用戶有10 s時間連接藍牙，若藍牙超時未連接，則默認進入有線調試模式。調度程序中附帶藍牙守護程序，可檢查藍牙連接狀態，若連接后意外斷開，則嘗試重連。藍牙連接流程如圖8所示。

圖8 藍牙連接流程圖

4.4 Web服務器設計

Web服務器主要負責實現檢測儀與前端網頁之間的數據通信，在整個系統中起連通前后端的作用。

Web服務器的業務邏輯與功能響應基于Flask框架［14］實現，其總體框架如圖9所示。

圖9 Web服務器通信框架圖

服務器與檢測儀進行連接時依托串口通信組件，向瀏覽器推送網頁時采用HTTP協議POST請求，在傳輸探頭數據時依托WebSocket通信組件［15］。為保證指令和數據轉發的穩定性與實時性，引入多線程技術，將數據傳輸鏈路與控制指令鏈路分配給兩個不同的線程單獨處理。

服務器啟動后，自動監聽指定端口HTTP請求，當用戶從瀏覽器通過指定地址訪問服務器時，服務器會響應該請求，向其傳送網頁數據。用戶加載網頁后，通過網頁配置藍牙收發器參數，上傳到服務器，由服務器設定儀器參數，建立通信連接。其后網頁端通過WebSocket通信鏈路請求并接收儀器數據，實現檢測波形實時顯示。

4.5 交互網頁設計

針對傳統無損檢測儀器依托特定軟硬件平臺進行設備控制與數據可視化，開放性小，成本高的情況，設計了基于網頁的操作界面，實現了儀器的遠程控制和數據的實時可視化功能。

交互界面主要由藍牙收發器設置面板和數據可視化面板兩部分組成，如圖10所示。

圖10 網頁界面效果圖

網頁加載成功后，可在藍牙收發器設置面板設定串口號、數據位數、波特率、停止位等參數，點擊設置按鈕，網頁內置的JavaScript腳本程序將捕獲設定的參數項，并在后臺將其打包成JSON數據，通過WebSocket鏈路傳送給服務器。配置成功后，服務器返回狀態信息，頁面上的狀態指示燈由“未連接”狀態（紅色）切換到“已連接”狀態（綠色）。

數據可視化面板將探頭數據以波形圖的形式實時繪制于網頁上，供用戶檢視并對缺陷狀態做出判斷。刷新按鈕、停止按鈕分別對應波形清空、暫停繪制功能。按鈕與數據可視化的交互邏輯通過JavaScript腳本實現。

5 檢測系統測試

為驗證系統缺陷檢出功能，采用帶缺陷玻璃鋼試塊與鋁制試塊兩種典型試塊對系統進行測試。

玻璃鋼隱藏缺陷試塊如圖11所示。在厚度為2 mm的玻璃鋼試塊上開邊長20 mm正方形通孔。試塊上表面覆蓋厚度0.5 mm有機玻璃將通孔變為隱藏缺陷。采用圖4中右側探頭，手持儀器實施單次往復線掃描。

圖11 玻璃鋼隱藏缺陷試塊（mm）

檢測結果如圖12所示。探頭下方無缺陷時，探頭電容基值約2.15 pF。探頭經過缺陷時，電容值較基值有明顯下降。對于上述試塊，探頭與缺陷對正時，電容值下降到2.05 pF，變化量為基值的4.6%，波形變化明顯，在圖12中以a標記。往復線掃描回程特征波形以b標記，兩處特征波形幅值接近，一致性較好。

圖12 玻璃鋼隱藏缺陷檢測結果

鋁板隱藏缺陷試塊如圖13所示。在厚度20 mm的鋁制試塊上開直徑6、8、10 mm平底圓孔，孔深4 mm。試塊上表面覆蓋厚度0.5 mm有機玻璃作為絕緣包覆層。采用圖4中右側探頭由右至左進行單次線掃描。

圖13 鋁板隱藏缺陷試塊（mm）

檢測結果如圖14所示。金屬隱藏缺陷特征波形呈W型，標記a、b、c分別對應直徑6、8、10 mm缺陷。對比3處特征波形，隨缺陷直徑增加，波谷逐漸加深。此規律可定性表征缺陷尺寸大小。測試結果表明，本系統對絕緣材料覆蓋下的隱藏缺陷具有良好的檢出能力。

圖14 金屬板隱藏缺陷檢測結果

此外，圖12與圖14為遠端計算機網頁（見圖10）中的實時波形圖，也充分驗證了無線式電容無損檢測系統遠端控制與信號無線傳輸功能。

6 結 語

本文針對傳統電容成像無損檢測設備成本高、操作不易等突出問題，設計并實現了一種基于微控制器的無線式電容無損檢測系統。系統研發過程兼顧了工程應用價值與實驗教學需求。系統以無損檢測設備便攜化、無線化的市場需求為研究出發點，注重了功能性與現場適應性；系統將無損檢測技術、嵌入式系統設計、物聯網技術與應用等專業課程的典型應用場景緊密結合，具有開放性的軟硬件設計，支持學生根據需求進行自主二次開發，可用于機電類本科高年級實驗教學，有助于培養學生解決復雜工程問題的能力。