基于S3C2440A控制芯片實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料裂紋質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋼鐵材料是工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中常用的材料，廣泛用于橋梁、鐵路、建筑、管道等多方面。鋼鐵材料在生產(chǎn)和使用中常會(huì)產(chǎn)生裂紋等損傷，檢測(cè)這些損傷對(duì)于保障設(shè)備可靠運(yùn)行及人身安全有重要意義。采用電磁法對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行性能測(cè)試和質(zhì)量檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是在不影響工件的形狀和性能的同時(shí)，確保檢測(cè)的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、快速。

目前，鋼鐵材料質(zhì)量檢查和故障診斷的智能化和自動(dòng)化的研究成為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方向。然而現(xiàn)有的電磁無(wú)損檢測(cè)儀器對(duì)于鋼鐵材料裂紋質(zhì)量檢測(cè)還存在許多難題，因而研發(fā)高效、智能和快速的檢測(cè)儀器仍然是這一領(lǐng)域的最大亮點(diǎn)。本文將ARM技術(shù)應(yīng)用于電磁無(wú)損檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，一方面能夠提高鋼鐵材料檢測(cè)的精度和速度，另一方面電路設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠縮小檢測(cè)儀器體積，便于檢測(cè)人員攜帶。

1 初始磁導(dǎo)率法的檢測(cè)原理

初始磁導(dǎo)率法是基于電磁無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)鋼鐵的材質(zhì)，因其非破壞性、簡(jiǎn)便、快速及可實(shí)現(xiàn)100%逐件檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用［1］。初始幅值磁導(dǎo)率法檢測(cè)的原理如圖1所示，當(dāng)一個(gè)空心的磁化線圈中通以交流激磁電流之后，線圈內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)軸向的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp。被測(cè)的鐵磁性工件放入該線圈時(shí)，在交變磁場(chǎng)的作用下鋼鐵件被交變磁化，從而大大增加原來(lái)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp。但同時(shí)，由于非無(wú)限長(zhǎng)工件的退磁場(chǎng)強(qiáng)度和鋼鐵件中感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生的附加交變磁場(chǎng)，兩者之和Hs又總是削弱原外加磁場(chǎng)Hp。因此，為了處理方便引入了有效磁導(dǎo)率μeff。這樣， 用一組測(cè)量線圈同軸繞制于激磁線圈上時(shí)， 必然在測(cè)量線圈上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。

初始磁導(dǎo)率是鋼鐵材料的磁化曲線在原點(diǎn)處的斜率， 即磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度線性增加范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率（磁疇疇壁的可逆位移區(qū)）在此磁場(chǎng)范圍內(nèi)，工件磁化后無(wú)剩磁。而裂紋、內(nèi)裂等損傷是由于鋼鐵材料在生產(chǎn)和加工過(guò)程中受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等因素造成的，根據(jù)應(yīng)力理論，鋼鐵材料的應(yīng)力越大，其初始磁導(dǎo)率下降越大［2］。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由激勵(lì)部分、傳感器部分、信號(hào)處理部分和系統(tǒng)控制部分組成。其中系統(tǒng)控制部分包括核心控制器件S3C2440A芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器件、液晶顯示、鍵盤(pán)和聲光報(bào)警6部分。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如2圖所示。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 激勵(lì)部分

本設(shè)計(jì)的激勵(lì)方波采用S3C2440A控制芯片的PWM功能的定時(shí)器產(chǎn)生，激勵(lì)方波的頻率與占空比是通過(guò)軟件編程對(duì)PWM進(jìn)行配置，由于從 S3C2440A控制芯片的I/O口輸出的是3.3 V電壓，為了提高激勵(lì)方波電壓值，可在經(jīng)過(guò)電壓補(bǔ)償電路后提高達(dá)到±5 V電壓。將處理器的J7引腳（TOUT2）配置成PWM輸出，然后將輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬電路處理得到需要的方波激勵(lì)信號(hào)。

3.2 傳感器部分

傳感器部分由激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈組成，采用自比較式的差動(dòng)設(shè)計(jì)，用2個(gè)線圈同時(shí)在鋼鐵試樣上實(shí)施檢測(cè)［3］。鋼鐵器件檢測(cè)的相鄰部位的材料物理性能與幾何參數(shù)等通常都相差較小，對(duì)在鋼鐵材料上勻速水平移動(dòng)的傳感器的干擾一般較小。設(shè)計(jì)中，選用初始磁導(dǎo)率較高的U型錳鋅鐵氧體作為傳感器的磁芯，如果鋼鐵試樣中的應(yīng)力越大，則初始磁導(dǎo)率下降越快。激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈的繞線匝數(shù)為1:4，盡量地增大有效磁導(dǎo)率，進(jìn)而提高鋼鐵材料損傷檢測(cè)的靈敏度，并且可以明顯降低傳感器激勵(lì)線圈的功率。

3.3 信號(hào)處理部分

前置信號(hào)處理部分主要由整流電路、濾波電路、放大電路3部分組成。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理部分后可以使檢測(cè)到的信號(hào)減少噪聲干擾、提高信噪比，使檢測(cè)信號(hào)盡可能不失真地傳輸?shù)胶罄m(xù)電路。設(shè)計(jì)中選用741運(yùn)放與RC電網(wǎng)組成濾波放大電路，對(duì)從橋式全波整流電路出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，放大100倍后可以得到比較清晰的檢測(cè)信號(hào)，然后將得到的模擬信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為便于分析處理的數(shù)字量。這種電路能夠抑制各種外來(lái)干擾因素，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。前置信號(hào)處理電路如圖3所示。

3.4 系統(tǒng)控制部分

S3C2440A是近年來(lái)推出的一款基于ARM920T架構(gòu)的高性能、低功耗的嵌入式Soc處理器。其典型主頻400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，CPU內(nèi)部集成SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、I2C總線、I2S總線、SD接口、PWM定時(shí)器、觸摸屏接口、 8通道10位A/D控制器、camera接口等，非常方便系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，因此應(yīng)用十分廣泛［4］。在本設(shè)計(jì)中，S3C2440A控制芯片連接A/D轉(zhuǎn)換器、外接控制鍵盤(pán)、液晶顯示和存儲(chǔ)電路。

3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS1110芯片。ADS1110是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)△-∑型A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，提供內(nèi)置的 2.048 V的基準(zhǔn)電壓，使用可兼容的I2C串行接口，可以在2.7 V至5.5 V的單電源下工作，ADS1110最高可以每秒采樣240次/s進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)可編程的增益，放大器PGA提供高達(dá)8倍的增益并且允許以高分辨率對(duì)較小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，使用靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)。ADS1110在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖4所示。

本設(shè)計(jì)使用了單端輸入的方式，因此在信號(hào)輸入前，使用了一個(gè)加法電路保證輸入端電壓IN為正；同時(shí)為了保護(hù)ADS1110，防止過(guò)壓和瞬間電流沖擊，在輸入端設(shè)計(jì)了分壓和限流保護(hù)電路。I2C接口的數(shù)據(jù)端SDA和時(shí)鐘端SCL分別與S3C2440X控制器的M9、U8管腳相接，管腳配置成I2C工作模式。

3.4.2 鍵盤(pán)及其他控制電路

鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)采用ZLG7290控制芯片［5］，設(shè)計(jì)為4×4矩陣鍵盤(pán)，通過(guò)I2C總線與S3C2440A控制器進(jìn)行連接，按照I2C總線協(xié)議的要求，信號(hào)線SCL和SDA必須分別加上拉電阻，其典型值是10kΩ，鍵盤(pán)控制電路如圖5所示。鍵盤(pán)主要完成設(shè)置硬件系統(tǒng)各項(xiàng)功能的參數(shù)，包括選擇不同的脈沖電流值、工作模式、基本參數(shù)設(shè)置等，并且為了適應(yīng)今后硬件系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，特別預(yù)留了F0～F45 個(gè)按鍵作為候補(bǔ)功能按鍵使用。響應(yīng)通過(guò)延時(shí)處理程序，進(jìn)行按鍵的中斷完成，并且在處理程序中判斷按鍵是否彈起，保證每一次按鍵的有效性和準(zhǔn)確性，鍵盤(pán)按鍵的延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定為50 ms。

設(shè)計(jì)的外部存儲(chǔ)器采用2 MB的NorFlash （SST39VF160）、64 MB的NandFlsh （K9F1208）、2片32MB的SDRAM （HY57V56162 0FTP），其中NorFlash用于存放執(zhí)行代碼，NandFlsh用于存儲(chǔ)鋼鐵材料數(shù)據(jù)參數(shù)值，SDRAM用于存放運(yùn)行代碼。

顯示電路由外接液晶屏構(gòu)成，因?yàn)镾3C2440A內(nèi)置了LCD控制器，并且支持STN液晶屏與TFT液晶屏，尺寸從3.5寸到12.1寸，屏幕分辨率可以達(dá)到1 024×768像素。為了簡(jiǎn)化電路，充分發(fā)揮ARM的性能，采用3.5寸TFT液晶屏，使用S3C2440A內(nèi)置了LCD控制器直接進(jìn)行控制。

聲光報(bào)警電路由峰鳴器和紅色發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)檢測(cè)到損傷裂紋時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，報(bào)警的同時(shí)LED燈閃亮。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)選用形狀相同的30根鋼管試樣進(jìn)行裂紋分選，采用最小分段二乘法對(duì)A/D采樣的數(shù)值進(jìn)行算法處理，為達(dá)到試驗(yàn)效果，其中部分鋼管人為造成各種表面裂紋，1號(hào)工件為理化檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)工件。試驗(yàn)表明本設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)對(duì)鋼鐵件表面損傷的檢測(cè)非常有效。選取部分鋼件，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，該試驗(yàn)可以使用多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)樣。為了說(shuō)明儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)的差異性，表中的測(cè)量值為儀器的直接測(cè)量值。

測(cè)量顯示數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量值大于標(biāo)準(zhǔn)1號(hào)工件值32 200時(shí)表示試樣無(wú)裂紋，當(dāng)測(cè)量值小于標(biāo)準(zhǔn)1號(hào)工件值時(shí)表示試樣有裂紋，從而驗(yàn)證了鋼鐵儀器損傷后應(yīng)力發(fā)生變化，使得初始磁導(dǎo)率值下降， 實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

本系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)上，以ARM微處理器為中心，充分利用了ARM處理器的豐富資源，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。尤其是在激磁產(chǎn)生和人機(jī)接口部分，通過(guò)使用ARM處理器的PWM、I2C以及LCD控制器，使相關(guān)電路大大簡(jiǎn)化，并且易于軟件控制。設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、界面友好、各功能實(shí)現(xiàn)模塊化，具有良

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