小型低功耗的超聲無損檢測系統的設計與實現

張宇堃

摘要：該文闡述了超聲無損檢測技術的檢測原理和發展方向，然后基于小型、低功耗、便攜式的理念設計了一種基于Linux操作系統的超聲無損檢測系統。硬件方面詳細設計了電源模塊、模擬信號處理模塊和ARM處理模塊，軟件方面詳細設計了設備驅動程序、探傷功能模塊。主要采用變壓器耦合電壓的方式來將發電器與放大器之間的輸出電壓降低，利用分時采樣思想來減少AD采樣功耗，利用S3C2410微處理器工作模式的轉換實現該檢測系統的睡眠和喚醒，滿足系統低功耗的設計需求。

關鍵詞：低功耗??超聲無損檢測??Linux操作系統??S3C2410微處理器??變壓器耦合電路

中圖分類號：TM619???文獻標識碼：A?Design?and?Implementation?of?the?Small?and?Low-Power?Ultrasonic?Nondestructive?Testing?System

ZHANG?Yukun

（Baoji?Quality?and?Technology?Inspection?and?Testing?Center，?Baoji，?Shaanxi?Province，?721000?China）

Abstract：?This?paper?expounds?the?testing?principle?and?development?direction?of?ultrasonic?nondestructive?testing?technology，?and?then?based?on?the?small，?low-power，?portable?concept，?designs?an?ultrasonic?nondestructive?testing?system?based?on?the?Linux?operating?system.?In?terms?of?hardware，?it?designs?the?power?module，?analog?signal?processing?module?and?ARM?processing?module?in?detail，?and?in?terms?of?software，?it?designs?the?device?driver?and?flaw?detection?function?module?in?detail.?It?mainly?uses?the?method?of?transformer-coupled?voltage?to?reduce?the?output?voltage?between?the?generator?and?the?amplifier，?uses?the?time-sharing?sampling?idea?to?reduce?the?power?consumption?of?AD?sampling，?and?uses?the?conversion?of?the?working?mode?of?the?S3C2410?microprocessor?to?realize?the?sleep?and?wake-up?of?the?testing?system，?so?as?to?meet?the?design?requirements?of?the?system?with?low?power?consumption.

Key?Words：?Low?power?consumption;?Ultrasonic?nondestructive?testing;?Linux?operating?system;?S3C2410?microprocessor;?Transformer-coupled?circuit

1超聲無損檢測技術概述

超聲無損檢測也可稱為超聲波檢測，是現階段一種新型的檢測技術。超聲波的頻率可達20?kHz，超聲無損檢測技術除了含有聲波傳輸的基本功能以外，還有著眾多不同的優點。其對工件的無損檢測原理為：利用超聲波的反射或散射效應，對工件內部結構進行檢測，可有效得出此工件內部構造缺陷的應用性評估。超聲波檢測方法可分為三大類，分別為共振法、穿透法和脈沖反射法，其中第三種方法是所有方法中通用性最強的方式。而脈沖反射主要通過發射特定的超聲波來進行工作，根據反射波的時間和形狀來判斷工件的缺陷情況與種類。被測工件的材料、檢測目的、應用場景等因素的千變萬化使得超聲無損檢測系統更加多樣化，但它們的基本結構和發展趨勢幾乎一致。

在現代化社會發展過程中，超聲波無損檢測系統的操作更加簡單、結果更加精準可靠。模擬和數字兩部分的組合應用，實現了缺陷的自動判別、處理和保存等。模擬部分主要完成超聲波的觸發和回波信號的接收，數字部分則主要對信號進行處理，給出控制檢測結論。隨著計算機技術、智能技術的發展，超聲無損檢測系統正向著系統化、模塊化、小型化、低功耗等方向發展，檢測系統的檢測靈敏度、分辨率將會更高[1]。

2小型低功耗的超聲無損檢測系統硬件設計

2.1總體框架

為滿足超聲無損檢測系統的性能指標、功能需求以及小型低功耗的需求，該系統的設計采用高性能嵌入式系統來實現，將各功能模塊集成在一起，但每個模塊的功效應始終保持在低狀態，確保整個系統在運作期間的功耗，并有效延長小型超聲無損檢測系統的壽命[2]。此系統在構建初期采用了FPGA+ARM的處理結構，如圖1所示。主要分為硬件層、嵌入式系統層和應用軟件層，通過調用系統的控制硬件與接口訪問兩部分，來利用Linux操作系統實現無損檢測。

該系統具體的工作流程為：高壓條件可有效激發探頭來發射超聲波并可收到回波，回波信號便會自動轉化至電信號輸入模擬信號處理模塊，后送入采樣模塊，將采用后的數據送至FPGA高速數據處理模塊，使其轉換為低速回波信號后便會自動儲存至存儲器，最終嵌入式微處理器會自動處理低速信號數據。

2.2電源模塊設計

每個不同模塊之間對于電源電壓的需求不同，電源模塊也需要通過電壓來分解，以便給每個部分的模塊供電。此系統的輸入電壓為14.4?V，為保障供向各功能模塊的電源高效穩定，采用模擬電源和數字電源分離供電的方案。模擬電源采用DC-DC電路設計，確保輸出電壓的寬范圍和高效率；數字電源采用LDO線性穩壓電路設計，確保電源穩定性。將14.4?V的輸入電壓分解得到12?V和5?V的電壓為模擬信號處理模塊供電，1.8?V與3.3?V之間的電壓主要為ARM供電，3.3?V和1.2?V主要為FPGA處理模塊提供電源支持，通過合理控制電源的分配，從而降低系統功耗[3]。

2.3模擬信號處理模塊

此模塊主要通過超聲波收發、增益提升、高壓生成及最終數據采集部分組成，利用放大器將回波信號放大后進行采樣和處理。增益放大模塊通常會使用三級AD8331級聯設計，所增益的階段在0～120?dB之間，AD8331芯片可為其提供增益控制電壓線性增加與線性減小兩種選擇，該模塊選用的是增益控制電壓線性增加，將芯片的MODE引腳設為低電平即可實現，以起到較好的對噪聲的抑制效果。在級聯設計中，將芯片的HILO管腳處設置為低電平，第三級設為高電平，通過降至倍數來獲得更好的信噪比[4]。

2.4?ARM處理模塊

ARM微處理器是該模塊的核心，該檢測系統采用的是S3C2410型號的嵌入式微處理器，其主要的作用是為了低功耗的使用，且核心板的尺寸僅有名片的2/3大小，運行主頻在200?MHz左右，具有較強的處理能力、內存管理技術。提供豐富的外設接口，顯著減輕了硬件設計的復雜程度，如LCD、USB、UART等接口，可外接蜂鳴器、鍵盤、顯示器等多種硬件設備，提高了系統的利用率、為系統開發提供了便利。系統采用SDRAM+NAND?FLASH的存儲結構，前者容量為16?M，后者容量為64?M，采用的是兩片SDRAM級聯以增大系統的內存空間。

3系統應用軟件的設計與實現

3.1軟件的總體結構

超聲無損檢測系統軟件層的總體結構設計框圖如圖2所示，內核系統層的設備驅動程序負責為上一層提供統一高效的調用接口，Linux操作系統則主要完成內存管理與模塊通信任務。應用軟件層主要向用戶提供界面顯示和實現無損檢測功能，軟件的界面主要包括功能界面、參數設置等重要界面，其中使用最為頻繁的界面為探傷界面。

3.2設備驅動程序設計

系統在設置期間主要利用驅動程序來實現底層硬件控制，設備驅動程序主要負責設備的初始化和釋放、實時參數設置、設備數據的讀取和傳輸、出錯的處理與檢測等。Linux操作系統在實際運行期間將硬件設備當作文件來進行處理。該檢測系統采用模塊化的方法進行設備驅動程序的設計。設備驅動分三個模塊：第一個模塊包括FPGA延遲驅動、FIFO驅動和FIR濾波器驅動，這些驅動的設置關系到探傷數據傳輸和參數配置；第二個模塊包括鍵盤驅動、LCD顯示驅動和USB驅動，是對ARM外圍設備的驅動；第三個模塊包括DAC增益控制驅動、時鐘驅動、背光亮度驅動和電池能量驅動[5]。

3.3探傷功能模塊設計

該模塊的實時處理主要是完成探傷數據從Linux內核空間到用戶空間的傳輸、探傷波形的實時計算和顯示，非實時處理模塊包括通道校正、參數設置、特殊功能和文件管理4個模塊。系統采集每一幀超聲波數據的間隔為20?ms，在Qt中通過OPEN函數可打開設備文件名，再通過調用函數read便可實現探傷實時讀取功能，之后再計算相應的波形數據。例如峰值計算過程中，所使用的計算流程為：將某一點的波形數據與離最近的四個點進行比較，加入所剩余的那個點比其他四個點大，則認定這輪比較中最大值即為該點，并將其坐標保存到峰值數組中。然后按此方法對該點后面連續三個點進行依次比較，加入此點的最終值比其他四點少，那便將點后移一位，直到重復比較完所有的波形數據。

超聲波檢測儀器正式運行前須進行探傷通道的校正以確保探傷數據的精準性。用戶在使用系統時，系統界面會自動將校正流程以鍵盤操作的方式推送至用戶面前，具體流程如下：首先預置探傷方式、探頭類型與前沿距離，然后通過測量零點變移和聲波速度、探頭k值、探頭頻率，制作出DAC曲線。最后存儲通道參數，開始正式的超聲波探傷。

參數設置主要包括系統參數、探傷參數與評定標準參數的設置。其中還包括了探傷在設定參數的設置，而這些設置均歸屬于FPGA模塊，屬于FPGA處理模塊的相關設置，因此該類參數的設置與控制可通過系統調用相應驅動程序接口修改FPGA中寄存器的值來完成。系統可依據提前設置的評定標準參數自動判斷被檢測工件的缺陷情況，實現自動化和智能化探傷[6]。

4超聲無損檢測系統的低功耗設計與測試

4.1低功耗技術設計

4.1.1變壓器耦合電路

超聲波收發電路與放大器的耦合方式是影響系統功耗的重要因素。通過耦合電路需輸出兩個電壓相等、相位相反的信號，為滿足超聲無損檢測系統的小型低功耗的設計需求，對此，該系統選用了變壓器耦合電路。耦合變壓器的中心抽頭分別與運算放大器AD8331的不同引腳相連，三級AD8331的級聯設計能夠將放大器產生的差分信號繼續運送到下級放大器，從而實現該檢測系統的增益要求。采用變壓器耦合電路一方面有助于隔離超聲波收發電路和放大器，抑制諧波干擾，增強系統的抗噪性能，另一方面可以利用低成本、低功耗的單電源放大器，以降低系統功耗。

4.1.2高速ADC數據的分時采樣

對于小型的無損檢測設備，A/D的采樣精度和速度是影響其性能的重要因素。該系統采用了高速高分辨率的MAX1448型號A/D采樣芯片，正常工作模式下整體功耗僅120?MW，采樣的數據流速度可達80?Mbit/s。為保障CPU對采樣數據的及時存儲和顯示，在此之前采用非均勻壓縮算法先對大規模高速數據流進行壓縮處理。通過依據非均勻壓縮比對采樣數據的實時抽取，顯著降低后續的數據處理量，減少資源消耗。該檢測系統重復頻率為50?Hz，探傷數據獲取間隔為20?ms，經過對超聲波形數據的小數倍的壓縮后可得到620個探傷波形數據，系統最大壓縮比為500，采樣頻率為40?MHz，因此在20?ms內實際僅需7.75?ms就可完成數據的采樣，通過軟件控制就可以實現對ADC的分時采樣。當ADC采樣結束后，通過FPGA輸出低電平使得ADC處于掉電模式，當下一個20?ms到來時，再通過FPGA輸出高電平使得ADC正常運行，以明顯降低ADC的采樣電路功耗。

4.1.3?ARM處理模塊的睡眠與喚醒

該檢測系統中ARM芯片采用的是S3C2410，S3C2410支持四種工作模式，正常模式下功耗297?MW，空閑模式下功耗122?MW，掉電時功耗12?MW，關機狀態下功耗80?μA。在超聲波無損檢測過程中，如果系統和設備在短時間不使用時能夠切換為睡眠狀態，按下恢復鍵又可以立刻恢復到之前的工作狀態，將會減少對系統的開關機操作和每次的初始化工作。對此該系統利用S3C2410工作模式的轉換和Linux操作系統的電源管理實現系統的睡眠和喚醒。其工作流程為：系統上電后正常探傷，并開啟定時器。在定時的時間內處于正常工作狀態，如果定時器計數溢出，系統便保存睡眠前的探傷參數和LCD的值，關閉AD采樣進入睡眠狀態，除喚醒單元外其他部分不產生功耗。將鍵盤作為喚醒單元，當鍵盤有按鍵出現時，將會喚醒CPU、打開AD采樣進行探傷工作，如果沒有按鍵則一直睡眠，直到探傷工作人員將其關機。

4.2系統的低功耗測試

超聲無損檢測設備從芯片體積、電路設計以及PCB版的設計等多方面進行考慮以減小整個設備的體積，最終得到設備的大小為210?mm×153?mm×30?mm，整個設備重量小于0.6?kg，滿足了小型體積的設計需求。在系統的功耗測試方面，將該系統與傳統系統進行對比，得到的模擬信號處理模塊的功耗測試結果如表1所示。

由測試結果可知，相比于傳統的無損檢測系統，該系統的總體功耗降低了近一半，能夠使系統有更長的待機時間，也有助于延長電池使用壽命。

在系統睡眠與喚醒的測試中，為使系統快速切換為睡眠狀態，將定時器的時間設為30?s，在實際的使用中可將定時時間延長。定時器溢出時系統界面會給出提示：10?s后儀器將進入待機狀態。若沒有按鍵操作，則系統進入睡眠狀態，此時利用直流穩壓電源觀察系統的電流，流過系統的電流變為0.15?A。當系統喚醒后，流過系統的電流為0.3?A，由此可以得出，系統在睡眠時的功耗降低了一半，較好滿足了系統的低功耗設計要求。

5結語

體積小、重量輕和功耗更低的超聲無損檢測系統能夠適應更加復雜的檢測環境和場所，逐漸成為了現代檢測業務發展的需求。該文采用FPGA+ARM的處理結構、基于Linux操作系統設計了一種小型低功耗的檢測系統，利用變壓器耦合電路、分時采樣、ARM處理芯片工作模式轉換這三種思路降低了系統的整體功耗，實現了現代檢測系統的低功耗、小體積的設計需求。

參考文獻

[1]李昊.超聲無損檢測技術的現狀和發展趨勢[J].內燃機與配件，2021（18）：192-193.

[2]郭鵬鵬.超聲無損檢測系統的模塊化設計與實現[D].南京：東南大學，2021.

[3]左鵬.探討超聲探傷技術在無損檢測中的應用[J].電子元器件與信息技術，2021，5（8）：65-66.

[4]于國海.基于FPGA信號處理的電磁超聲軌道無損檢測[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[5]高超，蘇建華，趙亞麗.超聲波檢測設備的軟件系統研究[J].?福建電腦，2020，36（11）：112-113.

[6]徐良偉.嵌入式系統低功耗設計研究[J].中國新通信，2021，23（8）：67-68.