晏宇 王軍民 朱世杰

摘要：本文提出了一種基于TDC-GP22實(shí)現(xiàn)的嵌入式超聲波鋼材內(nèi)裂檢測(cè)探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)采用ATmega328P為控制芯片，用戶通過操作上位機(jī)液晶屏控制嵌入式系統(tǒng)，功能分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，其下功能細(xì)分為開始測(cè)量、停止測(cè)量、校準(zhǔn)、復(fù)位、實(shí)時(shí)顯示。解決了目前超聲波測(cè)距測(cè)厚設(shè)備對(duì)于鋼材品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差的問題。

關(guān)鍵詞：超聲波；TDC-GP22；ATmega328P；嵌入式；探傷

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0186-02

當(dāng)今社會(huì)，鋼材質(zhì)量的檢測(cè)對(duì)于冶金業(yè)不斷改進(jìn)更新技術(shù)，提高產(chǎn)品品質(zhì)，生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的鋼材，以及用以指導(dǎo)購買用戶根據(jù)產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告結(jié)果合理選用鋼材具有重要的實(shí)際意義。通過對(duì)鋼材產(chǎn)品和半成品的檢驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)其存在的質(zhì)量缺陷，查明存在缺陷的位置并核實(shí)原因，逆向指導(dǎo)生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)范化，同時(shí)也盡可能地杜絕不合格鋼材存在的潛在危險(xiǎn)。內(nèi)裂是鋼材的主要內(nèi)部缺陷之一，人們通常把未延伸至表面的內(nèi)部斷裂統(tǒng)稱為內(nèi)裂，表現(xiàn)為氣泡等造成的不同形態(tài)的裂縫?，F(xiàn)在工業(yè)中最常用的檢測(cè)方法之一就是超聲波檢測(cè)，優(yōu)勢(shì)在于不破壞和不損傷受檢物體，檢測(cè)的深度較大，對(duì)于有缺陷位置的定位更加準(zhǔn)確，對(duì)應(yīng)用而言使用方便、成本低、檢測(cè)速度快、適用于各種復(fù)雜苛刻的現(xiàn)場環(huán)境且無污染無危害，本文所介紹的就是這種檢測(cè)探傷方法。對(duì)于超聲波時(shí)差的計(jì)算，采用最新TDC-GP22芯片測(cè)量，精度高，反應(yīng)靈敏，對(duì)提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本文結(jié)合上述特點(diǎn)展開設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為上位機(jī)系統(tǒng)部分和下位機(jī)系統(tǒng)部分，用戶在使用的時(shí)候通過上位機(jī)的USART HMI液晶屏的用戶界面發(fā)出指令，通過無線藍(lán)牙串口主從透傳模塊接收指令信號(hào)，進(jìn)而將信號(hào)傳給下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而驅(qū)動(dòng)TDC-GP22模塊上通過換能器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

1.2 超聲波鋼材內(nèi)裂檢測(cè)探傷原理

本設(shè)計(jì)采用的是接觸式測(cè)量方式，可以選擇人工手持、機(jī)械臂操作等，使用場景廣泛，由于換能器對(duì)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(guān)鍵，可以大大提高測(cè)量精度。超聲波的測(cè)量原理如圖1的左邊a）所示：換能器發(fā)出超聲波，接觸面返回第一次反射波，得到第一飛行時(shí)間，超聲波進(jìn)入鋼材并沿直線傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼材與空氣的介質(zhì)臨界面的時(shí)候，也就是到達(dá)鋼材下表面的時(shí)候，返回第二次反射波，得到第二飛行時(shí)間，其時(shí)間差即為飛行時(shí)差，將飛行時(shí)間乘以超聲波在鋼材中的傳播速度，即可得到無損無內(nèi)裂鋼材厚度。若出現(xiàn)如圖1的右邊b）所示：第二次反射波未成功到達(dá)鋼材下表面，而是中途遇到氣泡或褶皺等鋼材內(nèi)裂的狀況，就會(huì)返回非正常第二次反射波，進(jìn)而得到非正常第二次飛行時(shí)間，由于TDC-GP22對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度很高，這種方式得到的飛行時(shí)差會(huì)比正常飛行時(shí)差短得多，這樣計(jì)算得出的距離就是內(nèi)裂存在于鋼材內(nèi)部的深度，因此可以通過縱橫距離準(zhǔn)確定位內(nèi)裂位置。

1.3 結(jié)構(gòu)器件的選型

（1） 單片機(jī)控制模塊。本次設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC高速8位AVR系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)包含了低、中、高檔三種，前兩種現(xiàn)在基本已經(jīng)淘汰，高檔ATmega系列中ATmega328P 芯片具備眾多優(yōu)點(diǎn)，功能強(qiáng)大、反應(yīng)快、工業(yè)級(jí)性能穩(wěn)定、價(jià)格低、接口豐富、功耗低，故選用ATmega328P型號(hào)單片機(jī)。

（2） 無線模塊。本次設(shè)計(jì)采用HC系列無線藍(lán)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(lán)牙串口通訊模塊是新一代產(chǎn)品，性能佳成本不高，故選用HC-08作為藍(lán)牙通訊模塊。

（3） 測(cè)量模塊。TDC-GP系列芯片是以時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器為核心的一種測(cè)量芯片，可以很精確的測(cè)量兩脈沖之間的時(shí)間間隔，使之非常適合超聲波檢測(cè)領(lǐng)域。最新的TDC-GP22內(nèi)部集成了模擬電路輸入，模擬信號(hào)可以直接作為時(shí)間測(cè)量的STOP信號(hào)被芯片識(shí)別，大大簡化了芯片外圍電路，其內(nèi)部集成了第一波識(shí)別模式，將對(duì)事件測(cè)量的精度提升到22ps，對(duì)時(shí)差法測(cè)量應(yīng)用有極大的促進(jìn)，體積小、功耗低，非常適合高精度持續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量工作。故選用TDC-GP22芯片。

（4） 用戶界面顯示模塊。應(yīng)用USART HMI屏幕，應(yīng)用范圍廣，對(duì)硬件幾乎沒有任何要求，沒有速度瓶頸，界面的顯示是設(shè)備內(nèi)部獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的，其布局和大多數(shù)邏輯，無須MCU參與只是發(fā)送指令，使用方便、生產(chǎn)成本低，顯示效果好，故選用 TJC3224T024_011型號(hào)液晶屏。

（5） 傳感器模塊。超聲波檢測(cè)需要將電能和聲能相互轉(zhuǎn)換，這里用到換能器，主要性能指標(biāo)有：工作頻率、溫度和靈敏度等。由于對(duì)測(cè)量精度要求較高，這里選用專業(yè)超聲波探頭，參數(shù)為測(cè)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(hào)的接觸式超聲波探頭。

（6） 電源模塊。穩(wěn)壓電路選用LM系列和AMS系列芯片，優(yōu)點(diǎn)有：性能穩(wěn)定、體積小、價(jià)格低廉使用非常方便。電路中對(duì)所用到的12V、5V、3V3，此處分別選用LM7812、LM7812、AMS7812型號(hào)穩(wěn)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(fù)利用供電穩(wěn)定。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

本設(shè)計(jì)中用于上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)中的單片機(jī)控制電路如圖2所示，針對(duì)融合上位機(jī)用戶界面和對(duì)下位機(jī)測(cè)量工作的控制，設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，包含最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等。

2.2 TDC-GP22測(cè)量電路

本設(shè)計(jì)用于下位機(jī)系統(tǒng)中測(cè)量模塊的測(cè)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(dá)4.5A，所以需要使用外部單片機(jī)引腳將電流降至0.3V以下以降低系統(tǒng)功耗，而在GP22上的時(shí)鐘控制單元做到了低功耗，將內(nèi)部配置寄存器1的控制字CURRR32K置零，當(dāng)處于低電流模式時(shí)，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(shè)置FIRE_IN管腳輸出32.768KHZ的時(shí)鐘信號(hào)，這樣設(shè)計(jì)既簡化了電路，又兼顧了低功耗。

2.3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用于電源模塊的穩(wěn)壓電路，如圖4所示。輸入的14.8V電壓，分別選用LM7812型號(hào)、LM7812型號(hào)、AMS7812型號(hào)穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)化成了12V、5V、3V3。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 GUI用戶界面設(shè)計(jì)部分

本次設(shè)計(jì)使用的是HMI串口液晶屏，使用USART HMI專用軟件編寫環(huán)境，根據(jù)液晶屏型號(hào)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(qū)域，由于需要用戶操作的功能分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，其下功能細(xì)分為開始測(cè)量、停止測(cè)量、校準(zhǔn)、復(fù)位、實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)功能對(duì)控件進(jìn)行編程，以命令字的方式發(fā)給MCU進(jìn)而控制系統(tǒng)工作。

3.2 單片機(jī)控制軟件部分

本次設(shè)計(jì)使用的是ATmega328P芯片，使用的是ARDUINO硬件環(huán)境，將ARDUINO對(duì)應(yīng)的Bootloader燒寫入AVR芯片，然后使用ARDUINO IDE開發(fā)環(huán)境編程調(diào)試。上位機(jī)MCU接收HMI發(fā)來的控制字，調(diào)用對(duì)應(yīng)功能函數(shù)，同樣以命令字的方式通過串口使用藍(lán)牙模塊將信號(hào)發(fā)給下位機(jī)的MCU，根據(jù)命令調(diào)用功能函數(shù)，通過SPI總線發(fā)送命令控制TDC-GP22，通過STOP1和STOP2引腳發(fā)射脈沖，計(jì)算得到飛行時(shí)間差，由下位機(jī)MCU計(jì)算得出超聲波深入距離，將所得距離數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊回傳給上位機(jī)，由用戶GUI 界面實(shí)時(shí)顯示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的嵌入式超聲波鋼材內(nèi)裂檢測(cè)探傷系統(tǒng)解決了目前超聲波測(cè)距測(cè)厚設(shè)備對(duì)于鋼材品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差的問題，由于本系統(tǒng)設(shè)備使用場景有著很好的豐富性，對(duì)于將來的優(yōu)化和改進(jìn)提供了很大的便利。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】