基于8051IP核的便携式超声波测厚仪设计*

牟光臣，石新峰

（河南机电高等专科学校电子通信工程系，河南 新乡 453000）

超声波测厚仪携带方便，操作简单，精度较高，可以快捷而准确地测量各种结构均匀的金属材料和非金属材料的厚度。尤其对于锅炉、压力容器和管道等只有一个侧面可以接触的测量对象，具有更大优越性。利用超声波测厚仪构成的集总式检测系统，对工业企业的锅炉、压力容器和各种管道的厚度进行在线实时检测，了解其局部腐蚀、锈蚀的情况，并及时发出警报信息，对设备安全运行有着极大作用。

1 超声测厚仪工作原理

超声波测厚仪有脉冲式、共振式、兰姆波式等多种类型。目前广泛采用的是脉冲反射式。脉冲反射式超声测厚仪的工作原理及工作过程如下:

1)由微处理器触发超声脉冲发生器开始工作，产生超声脉冲，脉冲频率一般应该在40KHz以上，并激发超声探头产生(一般采用一体化探头)超声波，即时开始超声发射。控制脉冲发生器的工作时间，保证每次发射8～15个周期。

2)超声波通过被测介质传输至材料分界面。

3)超声波脉冲在分界面处被反射。回波被一体化探头接收到。

4)接收电路对回波信号进行多次滤波及放大，并截取第一次回波信号的峰值，变成数字信号传输至高速计数器。

5)周期固定的高速计数器自发出超声脉冲序列时开始进行高速计数，当接收到回波有效信号时结束计数。即可得到超声波在介质中的渡越时间。

6)利用微处理器将渡越时间除以2，再乘上超声波在某种固定介质中的传播速度，即可得到介质厚度。即H=0.5V△T(其中H为板材厚度;V为超声波在介质中的传播速度;△T为渡越时间)。

7)由微处理器将计算结果送给显示电路进行显示。在开始测量之前，需要预先将介质传播速度数据通过键盘输入微机系统或预先存入ROM表。

需要注意的是:如果被测材质不均匀，比如铸铁之类的测量对象，可能会发生超声波在介质中的多次反射和折射，从而造成回波信号非常弱或者测量结果有较大误差。同时，对于表面氧化锈蚀严重，或者存在严重污秽，必须将表面先清理干净，否则将严重影响测量结果。

2 8051IP核介绍

本设计采用杭州康芯公司提供的K8051单片机IP核。该IP核由VQM原码表达，在QuartusII环境下能与VHDL、Verilog等硬件描述语言混合编译综合，并能在逻辑容量为1500以上逻辑单元的FPGA中实现硬件系统及软件调试。

K8051IP核含有一个8位CPU，存储器采用哈佛结构，不但指令系统与8051/2、8031/2等完全兼容，而且硬件系统也与之基本相同，同样可挂接64KB外部存储器和256字节外部RAM，含两个16位定时/计数器，全双工串口，含节省功耗工作模式，以及中断响应结构。

K8051IP核与普通8051/2单片机的区别之处:以网表文件形式存在，只有经过编译综合载于FPGA以后才能工作;核内无ROM和RAM，只能利用FPGA的片内存储器，从中开辟4KBROM和256字节RAM并与IP核连接才能使用;支持在系统存储器内容编辑器擦写ROM程序，支持SignalTapII嵌入式逻辑分析仪实现时序测试;4个I/O分开，一共有64个输入输出端口，可以工作于两种模式，既可以通过总线三态门合并成与普通单片机类似的32根口线工作模式，也可以工作64根输入输出线各自独立的工作模式;工作速度远远高于普通单片机，一般情况下可以工作于90MHz。利用K8051IP核可以方便地构成一个包含8位微处理器的SOC系统。

3 总体设计思路及工作原理

系统总体结构框图如图1所示。

图1 超声测厚仪总体结构框图

本设计中不再采用89S51系列单片机担当控制任务，而是选用Altera公司的EP1C3T144C8芯片充当控制核心，该芯片具有3000个单元，用其中1500个单元配置K8051IP核，在内部存储器空间中开辟4KB的ROM和256字节的RAM，构成8051最小系统，并用VHDL语言设计方波发生器和32位计数器等模块，然后进行片内挂接。该方案能够实现高度集成，从而大大降低功耗，提高便携式装备的持续工作时间。

系统工作原理:K8051IP核同时发送一个启动信号给32位高速计数器和方波发生器，计数器开始计数工作，方波发生器也开始输出2.5MHz方波，该方波经过驱动电路后传输至超声换能器(即超声发射探头)，转换为超声波信号。回波信号经过放大、滤波、检波、比较整形及限幅后，变成数字信号输出。用该信号充当32位计数器的计数控制端，当接收到回波信号时，计数器即停止计数，并给CPU发中断申请，CPU响应中断，分4次读取计数结果并计算，即得到回波时间。CPU将回波时间除以2，并乘以预先存储的超声波在某种介质中的传播速度，即可得到板材厚度并送给显示电路显示。

键盘上设计有各种操作功能键和数字键，可以方便地进行各种操作和输入超声波在介质中的传播速度值。

远程通信模块用来与上位机进行通信和联网，从而构成一个集总式在线监测系统，可以用在各种需要多点实时测厚的场合。

4 各单元电路设计

4.1 超声探头

选用含发射和接收功能的一体化超声探头。具体选择时应该考虑压电晶片的中心频率应该在2.5MHz左右。

4.2 驱动发射电路

FPGA输出的方波信号电平为3.3V，此电压水平不能满足要求，本方案选用TCL7667驱动电路将2.5MHz方波信号提升至12V，然后送给超声换能器激发出超声波信号。

4.3 2.5MHz方波发生器

利用EP1C3T144C8芯片自带的模拟锁相环，在片外挂接20MHz有源晶振后完成倍频，变成50MHz，然后再经20倍分频变成2.5MHz方波。注意:为了保证每次发射8～15个超声脉冲串，需设计一个以此2.5MHz脉冲为时钟信号的10进制计数器，循环计数并送出低电平清零信号，用此低电平清零信号控制方波发生器。保证每次发射只能送出10个超声脉冲串。如果不加此限制，而是连续不断地发射，则回波信号会很复杂，难以进行处理。

4.4 信号调理电路

信号调理电路将接收到的超声信号进行放大、滤波，经比较电路整形后得到脉冲信号，再经过限幅电路，变成3.3V电平后送给FPGA芯片内的32位计数器使能端，使计数器停止计数。

4.5 32位高速计数器

为了保证较宽的测量范围，本设计特意将计数器设置为32位。原因如下:

众所周知，超声测厚仪要求测量误差小于被测板材厚度值的1% ±0.1mm。这就要求计数器必须达到一定的工作频率，才能使计数误差满足要求。而目前国内超声测厚仪的测量范围主要集中在1～300mm区段。比如测量1mm左右薄板材时，测量允许的误差约为0.11 mm。设超声波在板材中的传播时间为t，超声波纵波在钢中传播速度为5900m/s， 则t=2H/V，计数器至少需要的频率 F=1/(2H/V)≈27MHz。也就是说，设计时计数器的工作频率应大于27 MHz(本设计采用40MHz，用锁相环将20MHz片外晶振倍频得到)。计数器工作频率这么高，那么在测量较大的厚度值，如果计数器位数太少，则很容易发生计数溢出，造成测量结果毫无意义。因此，本设计采用了32位高速计数器。

4.6 K8051IP 核

在FPGA内部开辟4KB的ROM和256字节RAM，与8051IP核挂接，即可构成最小系统。该IP核可以工作于90MHz，相对于普通单片机，速度有了极大提高，缩短了响应时间和测量精度。

5 软件系统设计

本设计中的编程工作主要有两方面:

1)QuartuII环境下的VHDL语言编程:编程内容为分频器、计数器、状态机等各种数字电路模块设计。

2)8051IP核的C51编程:主要有键盘扫描、键值识别和存储及响应子程序;显示电路子程序;通信模块子程序;计数器计数值读取子程序;启动发射子程序;响应回波信号中断等子程序。主程序为厚度计算程序。

主程序流程图如图2所示。

图2 测厚仪主程序流程图

6 结语

本文在EP1C3T144C8芯片中植入8051IP核，来代替普通单片机，并利用片内多余资源来实现测厚仪所需要的数字电路，大大提高了集成度，降低了功耗，非常利于便携式测量环境。另外，利用计数脉冲为40MHz的32位高速计数器进行回波时间计数，既拓宽了向上的测量范围，也保证了向下的测量精度。为便携式测厚仪设计引入了一种创造性的设计思路。

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