基于DSP芯片实现超声波无损检测系统的设计

作者：周丽军 , 谢瑞和

无损检测在工程领域应用越来越广，超声波检测是无损检测的主要方法之一，主要应用在测距、探伤、测厚等领域。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大能量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用该特性，可以实现超声测距和超声探伤。超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、方便、对人体无损害和易于做到实时控制等优点。

图1 系统框图

系统框图及电路分析

系统框图如图1所示。

超声波发射电路

信号发射部分包括发射电路和探头。探头由超声波换能器组成，可以是收发同体的换能器，也可以是发射和接收分开的。本电路采用的是收发分开的探头，这样可以减少发射余震信号的影响，即可减小盲区。针对测距和探伤对超声波频率要求不同，探头可以更换。

发射电路产生激励探头发射超声波所需的高压窄脉冲，不同探头要求的谐振频率不同，所以要求激励脉冲宽度可调。发射电路如图2所示，先由DSP提供宽度可调的低压脉冲，再由发射电路转换成高压脉冲加到换能器上。发射电路的阻尼情况由R0决定。R0小，阻尼大，发射脉冲强度低；R0大，阻尼就小，发射强度高。

信号接收电路

超声回波信号非常微弱，一般是毫伏级，所以必须放大，为了与超声波换能器的高阻抗匹配，前置放大器也设计成高阻抗输入。在探头和前置放大器之间加一级衰减器是为了防止由于某些原因，回波电压过大，容易对仪器造成损害。滤波电路设计成带通滤波，由于探头的频率范围比较宽，不同探头发射频率不同，所以要求带通滤波的中心频率可调，由DSP来控制。这一级要求高信噪比和高品质因数，经过带通滤波器后，回波信号得到放大，而其它噪声被削弱，同时，为下一级的程控放大提供了具有更高信噪比的输入信号。程控放大器主要是针对测距的远近两档来设计的，由于换能器发射能量一定，当测量近距离时，回波信号能量大，这时接收器放大倍数应该小些，而测量远距离时，回波信号能量小，接收放大倍数就应该大些。程控放大器由DSP来控制放大倍数，使得测距时远近两档放大后的信号幅值保持在一个数量级。另外，在探伤时，不同的介质对超声波能量的衰减也不同，可通过手动或自动方式来调整放大器的放大倍数，以达到回波信号的正确接收和显示。

信号采样和显示电路

显示探伤回波信号时有两种显示方式，一种是直接显示回波声压波形的射频显示（即不检波显示），另一种是经过检波的回波声压波形的视频显示（即检波显示）。

射频显示信号直接由程控放大器进入A/D采样电路，射频显示能比较真实地反映出超声波脉冲在介质中的传播情况，有利于分析回波的波形特征，并且为进一步的数字信号处理以判别缺陷的性质及材质的变化奠定了基础。由于缺陷回波尖峰脉冲很窄，所以A/D转换电路要求有较高的采样速率。本系统选用的高速ADC为MAXIM公司的MAX1426，MAX1426为10位单通道输入ADC，转换速率为10Msps，输入电压范围为-2V“+2V，供电电压为4.75V”5.25V。

图2 发射电路

视频显示则显示波形的包络，图形比较清晰，这有利于信号峰值采样，能够确定缺陷当量，同时可通过门限检测来判断缺陷的位置。两路信号由模拟开关来控制。测距时，信号检波后直接送到门限检测。门限检测主要是为了对信号进行峰值采样，设置一个门槛，防止非回波信号进入DSP，这一步对测距和定位缺陷信号非常重要。

幅度门限主要是为回波信号设置一个幅度门槛，该门限由比较器构成，比较器一端输入回波信号，另一端输入由回波信号经过衰减及加上一直流信号后得到的信号，即为门槛信号，只有高于门槛值的信号才能引起比较器的输出。第二级脉宽门限是一时间门槛，设置该门限主要是考虑到信道中的各种干扰及电路中的噪声经过放大后幅度变大，有的甚至超过回波信号的幅度，这时，单有幅度门限是不够的。脉宽门限由一触发器构成，通过幅度门限的信号只有脉宽达到设定的宽度才能通过第二门限进入DSP。

显示模块采用EL场致显示屏来显示仪器的功能菜单以及各个测量结果，包括距离、面积、体积、缺陷位置、回波波形和回波频谱图等。该模块要求实时显示测量结果，并且针对便携式仪器的特点，该部分应满足低功耗要求。

数据存储电路

数据存储器用来存储回波信号数据，为64K×16bit的Flash存储器，最大可扩展为128K×16bit。数据存储的目的是为了保存测量结果，以便日后查看，可以用波形显示。同时可以将存储的回波数据经串口发送到上位机，由PC来保存和处理，发送过程由键盘控制。

人机接口电路

DSP控制接口电路

DSP是整个系统的核心部分，控制整个电路的运行，并能够进行比较复杂的数据运算。DSP56F805集成了Motorola 的16位定点DSP微控制器内核DSP56800。DSP56F805具有32K×16bit的程序Flash，4K×16bit的数据Flash，有512×16bit的程序RAM和2K×16bit的数据RAM，可外部扩展64K×16bit的数据存储器和64K×16bit的程序存储器。该系列处理器具有丰富的I/O口，有14个专用的I/O引脚和18个复用引脚，每个引脚可独立地被配置位输入、输出或中断触发。DSP56F805支持7优先级共64个中断源。另外该芯片还集成了异步串行通信模块、同步串行通信模块、控制局域网模块、2个脉冲调制模块、4个定时器和8路12位ADC等多种外设模块。

测距时，回波信号经过接收电路的处理，经门限检测后输出为一脉冲信号，该信号触发DSP中断，利用DSP内部定时器，计算出超声波所经过时间和待测距离。

探伤时，DSP触发发射电路的同时，允许A/D采样，并将采样数据保存，同时，通过显示屏将波形实时地显示出来。另外回波信号通过门限检测后送入DSP中断输入引脚，如在界面回波到达之前有回波信号，则表明物体有缺陷，通过触发中断，计算出缺陷位置，并且在显示屏上显示缺陷位置值。由于根据回波的频谱图能进一步判明缺陷的性质，所以DSP还增加了FFT功能，将采集的回波时域数据变换到频域，并保存和显示，这部分由键盘来控制。

在超声波检测技术中，超声波在介质中的传播速度是一个重要参数，它的准确度直接关系到测量精度。超声波传播速度与传播介质有关，测距时，传播介质是空气，声速利用公式331.4+0.607 T（m/s）得到，T由温度传感器可得。探伤时，声速则随被测工件的材质不同而不同，这就需要在每次检测不同的工件时，先测量超声波在该工件中的传播速度。测量方法是先制作一已知厚度的相同材质的试块，根据试块两底面反射回波的时间差计算出声速，并保存在Flash中，这一步由系统自动完成，如果不改变被测工件，则不需再次测量。

电源模块

电源模块为整个系统供电。基于便携式检测仪器的要求，系统采用电池供电，能够输出几组正负电源，同时，该模块还带有充电功能。

软件流程

上电开始，首先对显示屏进行初始化，然后等待按键输入，系统设置了3分钟的待机时间，如果在设定的时间内没有操作系统自动转入睡眠

状态，关闭显示，进入低功耗模式。如有按键，则进入相应的功能模块，完成相应的操作。系统共分五个功能模块：测距、探伤、数据保存、数据发送和介质声速测定。所有功能模块都可以由用户通过键盘按键来控制运行与结束，系统状态和测量结果实时地在显示屏上显示出来。

结语

该系统能够实现自动测距、自动判伤和实时显示功能，并且利用测距原理，系统还增加了对规则物体的体积和面积的测量功能。