劉澤軍，王浩全

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原，030051）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)存在氣體泄漏，不僅導(dǎo)致能源浪費(fèi)，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重事故。傳統(tǒng)氣體泄漏檢測(cè)方法較多，有氣泡檢漏，壓力變化檢漏，鹵素檢漏，滲透和化學(xué)示蹤物檢漏[1]。這些方法對(duì)操作人員要求較高，操作困難，成本較高，甚至?xí)廴敬龣z測(cè)物質(zhì)。氣體泄漏會(huì)在泄漏點(diǎn)形成氣體湍流，產(chǎn)生超聲波，超聲波的頻譜主要分布在40kHz[2]，本文利用這一原理來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)，并且檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)與被測(cè)物質(zhì)接觸，不會(huì)受被測(cè)物質(zhì)的影響，因此具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[3]，這些特點(diǎn)使得超聲泄漏檢測(cè)在眾多泄漏場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。因此本文設(shè)計(jì)了一種超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，AD采集以及快速傅里葉變換方式，實(shí)現(xiàn)超聲泄漏檢測(cè)的功能，同時(shí)該硬件系統(tǒng)功耗低，操作簡(jiǎn)單，并且能夠?qū)崟r(shí)把檢測(cè)結(jié)果在TFTLCD屏上顯示。

1 總體設(shè)計(jì)方案

超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)分為個(gè)4個(gè)模塊，分別為信號(hào)調(diào)理模塊，TFTLCD顯示模塊，微處理器控制模塊，電源模塊。信號(hào)調(diào)理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，把微伏信號(hào)轉(zhuǎn)換為處理器可以接收的信號(hào)；TFTLCD顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示超聲信號(hào)的頻譜圖，及頻率等基本信息；微處理器模塊主要負(fù)責(zé)進(jìn)行信號(hào)的處理，如模擬信號(hào)的數(shù)字化，快速傅里葉變換等，電源模塊主要負(fù)責(zé)給微處理器、放大電路等模塊供電。

由于現(xiàn)在嵌入式微處理器的處理速度越來(lái)越快，為超聲信號(hào)在STM32F103ZET6微處理器上進(jìn)行頻譜分析提供了理論依據(jù)。其基本原理是：先將超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大，濾波處理，濾波后的超聲信號(hào)經(jīng)STM32F103ZET6的AD轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化，然后在處理器上對(duì)數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，最后將變換后的結(jié)果在液晶屏上顯示，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 固定增益放大電路

氣體泄漏產(chǎn)生的超聲信號(hào)十分微弱，超聲波探頭接收到的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)約在Vμ級(jí)。放大器選用AD8422組成，它是一款高精度、低功耗、低噪聲的軌到軌儀表放大器。固定增益放大電路如圖2所示，其中第一級(jí)、第二級(jí)放大增益均為40dB，總增益為80dB。為防止輸入信號(hào)過(guò)高，在第一級(jí)放大電路前增加了限幅保護(hù)電路，通過(guò)D1，D2使得輸入信號(hào)的范圍保持在-0.7V到+0.7V之間。

圖2 固定增益放大電路

2.2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

在放大超聲信號(hào)的同時(shí)，其他噪聲也會(huì)隨之放大，直接用STM32進(jìn)行采集會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了提高電路的信噪比，在第二級(jí)放大電路與第三級(jí)放大電路之間添加有源帶通濾波器，可以有效濾除噪聲干擾。有源帶通濾波器的中心頻率為 40kHz，帶寬為 5kHz，增益為 1V/V（0dB），為了減小波紋并得到平坦的帶寬，選擇濾波器的響應(yīng)類型為4階巴特沃斯帶通濾波器，其原理圖如圖3所示。

圖3 帶通濾波器電路圖

2.3 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/h3>

由于在不同檢測(cè)環(huán)境下，其超聲信號(hào)的強(qiáng)度有所不同，通過(guò)可變?cè)鲆娣糯箅娐房梢允贡鞠到y(tǒng)適應(yīng)不同的環(huán)境。其工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R5調(diào)節(jié)放大電路增益，原理圖如圖4所示。

圖4 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

2.4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集，分析運(yùn)算和LCD的驅(qū)動(dòng)等功能，該芯片內(nèi)部集成了多種功能，如ADC，DMA，定時(shí)器，F(xiàn)SMC等。

信號(hào)采集的工作流程：主控芯片STM32F103ZET6通過(guò)ADC1_IN11采集放大濾波后的超聲信號(hào)，然后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析處理。STM32F103ZET6有3個(gè)精度為12位的ADC，每個(gè)ADC最多擁有16個(gè)外部通道，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可單次，連續(xù)，掃描或間斷模式執(zhí)行。在ADC時(shí)鐘為14MHz時(shí)，其最大轉(zhuǎn)換速率為1MHz，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確度，一般ADC時(shí)鐘不超過(guò)14Mhz。ADC即可獨(dú)立使用，也可采用雙重模式。根據(jù)采集需求，系統(tǒng)采用獨(dú)立模式單通道采集，且ADC時(shí)鐘為12MHz。

STM32芯片的I/O口可輸入的電壓范圍為0～3.3V，放大電路的輸出電壓為-5V～+5V，不能直接使用單片機(jī)進(jìn)行采集，因此，利用R1、R2、R3把-5V～+5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0V～3.3V的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，VIN為輸入信號(hào)，VOUT為輸出信號(hào)，R1、R2、R3為電阻阻值。輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系式為。

系統(tǒng)采用3.5寸TFTLCD模塊進(jìn)行顯示，其分辨率為320×480，該模塊每個(gè)像素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管，可以有效克服信號(hào)干擾，使圖像質(zhì)量得到大幅提高，模塊采用16位的80并口與STM32的FSMC接口進(jìn)行連接，即相當(dāng)于STM32把TFTLCD當(dāng)成SRAM進(jìn)行控制，與傳統(tǒng)的讀寫(xiě)時(shí)序控制相比，即省去了頻繁配置，又滿足了讀寫(xiě)速度的要求。電路原理圖如圖5所示。

圖5 主控芯片電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要包括：ADC采集功能，快速傅里葉變換功能，TFTLCD顯示功能三部分，其流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

首先，利用定時(shí)器3觸發(fā)ADC1采集超聲信號(hào)，并將采集到的信號(hào)利用DMA快速傳輸?shù)絻?nèi)存中，最大限度的節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸對(duì)CPU的使用，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。泄漏氣體的噪聲頻譜在39-41kHz頻帶之間分布較為集中，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，可設(shè)置定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間確定采樣頻率為200kHz。

圖7 泄漏信號(hào)頻譜圖

為了方便確定泄漏孔的泄漏位置及泄漏情況，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析處理，便于直接實(shí)時(shí)查看采集的信號(hào)頻率及強(qiáng)度。STM32可進(jìn)行基4頻率抽取的快速傅里葉變換，采樣點(diǎn)數(shù)有256點(diǎn)和1024點(diǎn)，為了提高精度，本文采用采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)的基4頻率抽取快速傅里葉變換，并且與基2頻率抽取的快速傅里葉變換相比，基4頻率抽取快速傅里葉變換效率更高，運(yùn)算速度更快，可更快的在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試便攜式超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的檢漏能力，使用該系統(tǒng)對(duì)不同孔徑的漏孔進(jìn)行多次檢測(cè)。使用空氣壓縮機(jī)給待測(cè)容器中注入空氣，待容器內(nèi)部氣壓達(dá)到80kPa時(shí)，用便攜式超聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)在距漏孔1.5m處進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)界面顯示的信號(hào)頻率在39kHz～41kHz范圍內(nèi)時(shí)，說(shuō)明檢測(cè)到泄漏信號(hào)，并且探頭所指方向?yàn)槁┛姿诘奈恢?，圖為對(duì)不同漏孔檢測(cè)頻譜信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，容器內(nèi)外壓差呈斷崖式下降時(shí)，超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效的檢測(cè)到待測(cè)容器的漏孔位置，通過(guò)對(duì)比不同孔徑的泄漏情況可知，泄漏孔徑越大，其檢測(cè)到的信號(hào)越強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的放大、濾波、采集、頻譜顯示的功能。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，并且在使用過(guò)程中操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，為進(jìn)一步提取泄漏孔的特征提供了參考依據(jù)。