隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高溫、高壓、高速和高負荷已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要標(biāo)志，但它的實現(xiàn)是建立在材料高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的，為確保這種優(yōu)異的質(zhì)量，必須采用不破壞產(chǎn)品原來的形狀、不改變其使用性能的檢測方法，對產(chǎn)品進行百分之百地檢測，以確保其可靠性和安全性，這種技術(shù)就是無損檢測技術(shù)。

　　超聲波檢測在無損檢測中占據(jù)著主要地位，廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬材料以及醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域。近年來以微電子學(xué)和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)飛速發(fā)展，超聲無損檢測儀器也得到了前所未有的發(fā)展動力，為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率，研制數(shù)字化、智能化、自動化、圖像化的超聲儀是當(dāng)今無損檢測領(lǐng)域發(fā)展的一個重要趨勢。而傳統(tǒng)的超聲波檢測儀存在準(zhǔn)確性差、精度低、體積大、功耗大、人機界

　　面不友好等問題。而超聲波發(fā)射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以ARM微控制器為核心，使用C語言編程，方便地實現(xiàn)了發(fā)射頻率與激勵電壓脈沖幅度的調(diào)節(jié)。

　　1 超聲波檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

　　基于ARM超聲波檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：超聲波前端發(fā)射接收電路、DSP和ARM處理器。

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　　超聲波前端發(fā)射電路負責(zé)產(chǎn)生激勵脈沖電壓和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波。接收電路首先將反射回來的微弱信號經(jīng)放大、濾波等電路處理，然后通過A／D轉(zhuǎn)換電路對信號進行采集并將采集的信號經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖FIF0送入DSP。

　　DSP接收由A／D轉(zhuǎn)換器經(jīng)FIF0緩沖后的數(shù)據(jù)，主要完成計算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的信號處理算法，提高超聲探傷儀器的精度和數(shù)據(jù)處理能力。

　　ARM處理器主要完成兩部分功能：一是控制功能，調(diào)節(jié)激勵脈沖的寬度和重復(fù)頻率以及放大電路的放大倍數(shù)；二是實現(xiàn)信號的實時顯示、存儲以及和外部的通信等功能。ARM微處理器采用基于ARM920T的16／32位RISC微處理器S3C2440A。其內(nèi)核頻率最高為400 MHz，功耗低，體積小，集成外設(shè)多，數(shù)據(jù)處理能力好，因而可廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備等。

　　2 超聲波發(fā)射電路

　　根據(jù)被測件的材料、厚度等不同條件，所需的相應(yīng)超聲波探頭的頻率、發(fā)射電壓也不同。發(fā)射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時間不超過100 ns。根據(jù)頻譜分析，激勵脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足這一關(guān)系式時，接收探頭的接收信號質(zhì)量最好。該關(guān)系式即為：

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　　式中，f0為探頭頻率，2a為脈沖寬度。本設(shè)計所選探頭頻率為2．5 MHz，由式(1)確定的脈沖寬度為600 ns，所以放電時間應(yīng)盡量控制在600 ns。

　　超聲波探傷法的種類很多，實際運用中，大部分選用脈沖反射法，其發(fā)射電路多選用非調(diào)諧式，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。電路由可調(diào)高壓電源、電阻R1和R2、能量存儲電容C、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)VQ、快速恢復(fù)型二極管VD1、VD2和探頭組成，設(shè)二極管等效電阻為R3，開關(guān)等效電阻為R4。ARM微處理器的PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖，經(jīng)IGBT的驅(qū)動和保護電路后送入開關(guān)管VQ的柵極形成控制脈沖V1。當(dāng)V1為負脈沖時，IGBT關(guān)斷，高壓電源通過R1、VD2對電容C充電，充電時間常數(shù)為τ1=C(R1+R3)。當(dāng)t>5τ1時，認為電容C充滿。當(dāng)V1為正脈沖時，IGBT開通，電容C通過開關(guān)管VQ、R2和二極管VD1對探頭放電，放電時間常數(shù)為τl=C(R2+R3+R4)。超聲波探頭收到高壓負脈沖的激勵后便產(chǎn)生一定頻率的超聲波。

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　　電路中元件作用：

　　1)電阻R1用來限制充電時高壓電源對電容C的充電電流，即起到限流作用，并減小發(fā)射單元工作時對電源的影響，從這點考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復(fù)頻率f較高，為了使電容C在觸發(fā)前能充滿電，就必須滿足CR1<1／5f。所以要選擇合適的電阻R1的阻值。

　　2)電阻R2有2個作用：一是調(diào)節(jié)放電時間和發(fā)射功率，二是作為阻尼電阻，調(diào)節(jié)超聲脈沖寬度。R2的阻值越小，發(fā)射功率越小，發(fā)射脈沖越窄；R2阻值越大，發(fā)射功率越大，發(fā)射脈沖越寬。

　　3)快速恢復(fù)型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖，使A點只有放電時的負電壓激勵脈沖。

　　充電時，電流i與電壓UR的關(guān)系式如式(2)～式(3)所示。

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　　所研制的電路板可激發(fā)探頭產(chǎn)生0．5～10 MHz的超聲波，激勵脈沖電壓最高可達830 V，脈沖的上升時間小于50 ns。

　　3 基于ARM的PWM脈沖的產(chǎn)生

　　ARM嵌入式處理器是具有極低功耗、極低成本的高性能處理器，運算速度快、精度高，而且便于實時操作系統(tǒng)的移植，真正成為實時多任務(wù)系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時器，占空比、頻率、極性可編程，且具有自動重載和雙緩沖功能。主頻FCLK最高達400M-Hz，APB總線設(shè)備使用的PCLK最高達68 MHz。具體過程為：首先，開啟自動重載功能，對PWM脈沖的各個參數(shù)通過PWM寄存器進行設(shè)置，如定時器配置寄存器(TCFGn)，定時器控制寄存器(TCON)，定時器計數(shù)緩存寄存器(TCNTBn)，定時器比較緩存寄存器(TCMPBn)，定時器計數(shù)觀察計數(shù)器(TCNTOn)等的設(shè)置。其次，設(shè)置相應(yīng)定時器的手動更新位，然后設(shè)置開始位，在等待時間后定時器開始倒計數(shù)，當(dāng)TCNTn和TCMPn的值相同時，TOUTn的邏輯電平由低變?yōu)楦?。?dāng)TCNTn為0，TCNTn用TCNTBn的值自動重載。如果要重新設(shè)置TCNTn的初始值，則要執(zhí)行手動更新。

　　通過使用TCMPBn來執(zhí)行PWM功能，PWM的頻率由TCNTBn來決定。雙緩沖功能允許對下個PWM周期在當(dāng)前PWM周期任意時間點由ISR或其他程序改寫TCMPBn。