超小型超声检测系统低功耗技术

丁国琴，徐大专，王 博

（南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京 210016）

超声检测是工业中应用非常广泛的无损检测技术，随着科学的发展和微电子技术的不断创新，嵌入式无损检测系统的设计越来越得到系统设计人员的关注。嵌入式系统以应用为中心，计算机为辅助，系统设计人员根据自身的需要进行裁剪，以满足其功能、成本、功耗等方面的要求［1］。

在无损检测系统的设计中，低功耗一直是小型便携设备的系统设计人员必须考虑的问题，超小型超声检测设备是一款体积小、重量轻、功能性强、操作简便、便于携带及现场操作的无损检测设备，由于其体积小使得其电池容量小的特点导致设备待机时间大大减少。笔者从硬件和软件两个方面出发为超小型超声检测设备给出了降低系统功耗的系统设计方案。在硬件方面，提出了一种超声波收发电路与模拟放大器的变压器耦合和AD 分时采样的方法，在软件方面，充分利用ARM 的时钟功率管理功能实现了系统的睡眠与唤醒。

1 系统总体设计框架

系统是一套基于嵌入式平台的无损检测系统，为超小型超声检测设备低功耗的实现提供了参考。系统在设计时采用了层次化、模块化的思想，分为硬件层、内核系统层、应用软件层，其基本框图如图1所示。

图1 超声检测系统设计框图

基本工作模式为：系统通过收发探头发送脉冲波至被测材料中，来自被测材料的反射波信号被探头接收后送入模拟信号处理模块进行放大、滤波等处理，然后送给AD采样模块，AD将采样后的高速数据流传送给FPGA，使其转换为低速的数据流并存放在高速存储器中，最后由ARM 模块将此回波信号的数据流读出，利用应用软件将回波信号在显示屏上显示，同时根据回波信号的情况做相关的处理。

作为超小型超声检测设备，功耗太大不仅缩短了电池寿命，不利于长时间的探伤工作，而且会降低系统的整体性能，包括散热处理、系统稳定性等。现有的超声检测系统各模块的功耗如表1所示。

表1 超声检测系统各模块功耗及所占比例

从表1可以看出，现有的超声检测系统中功耗比较大的是模拟信号处理模块和ARM＋LCD 处理模块。模拟信号处理模块主要完成超声探头的触发和回波信号的处理，即可控增益放大／衰减、宽带滤波等，模拟信号处理模块中超声波收发电路与模拟放大器之间的耦合方式影响了系统的功耗，ARM＋LCD 处理模块主要完成与FPAG 的通信，配置系统参数，处理数据及波形显示等功能，ARM＋LCD的长时间工作缩短了电池的使用时间，进而影响了系统的功耗。

半导体工艺的进步及集成电路的发展，使得数字处理芯片向着小型化、低功耗的方向发展。笔者设计的超小型超声无损检测系统，对低功耗有着严格的要求，重点从模拟信号处理模块设计与系统睡眠技术两方面讨论了降低系统功耗的实现方法。

2 模拟信号处理模块设计

模拟信号处理模块是无损检测系统的重要组成部分，它由超声波收发电路、模拟放大器、滤波电路组成，收发电路将回波信号送入模拟放大器处理后经滤波等处理工作传送给AD 进行采样。在传统的电路设计中收发电路与放大器常选用直接耦合的方式，采用直接耦合虽然效率高但信号不失真，而这种做法使得前后两级工作点牵连较大，调整比较复杂，同时模拟放大器也必须采用双电源供电才能保证放大器的输入电平与收发电路一致，以致影响了整个系统的功耗。变压器耦合方式虽然会损失一些信号的高频成分，但它可以在把直流方面的前一级和后一级分开的同时使交流信号顺利传递到下一级，并且由于变压器耦合同时具有隔直通交和阻抗变换的特性使得其电路的形式丰富多样，不仅能够满足电路的设计要求，还能提高系统的性能。正是基于这种思想提出了一种耦合变压器的电路设计方法来降低系统的功耗。

2.1 变压器耦合原理

变压器耦合电路如图2所示。耦合电路通常是完成级间信号的耦合并对信号进行一些处理，常见的耦合电路情况主要有：（1）将两级放大器之间的直流电路隔离。（2）获得两个电压相等相位相反的信号。（3）对信号电压进行提升或衰减。（4）对前级和后级放大器之间进行阻抗匹配。

图2 变压器耦合电路

变压器耦合是耦合电路的其中一种耦合方式，它是采用变压器作为耦合元件，由于变压器同时具有隔直通交和阻抗变换的特性，使得变压器耦合电路的形式丰富多彩，针对该设计系统，由于需要信号在经过耦合电路后能产生两路电压相等相位相反的信号，因此在电路设计中采用变压器耦合电路。

从图2可以看出，耦合变压器T1 的二次绕组有一个中心抽头通过电容C3 交流接地，VT2 和VT3为NPN 型三极管，其交流信号的波形如图中所示，从图中可以看出，当L2绕组上端信号为正半周期时，L2绕组下端信号为负半周期，当L2绕组上端信号为负半周期时，L2 绕组下端信号为正半周期，这样使得绕组L2 的上下两端信号的电压相等相位相反，即L2 的上端与抽头之间的绕组输出一个信号到VT2的基极，L2的下端与抽头之间的绕组输出一个信号到VT3的基极。

2.2 收发电路耦合变压器实现

针对超小型超声无损检测系统，为了满足系统的低功耗需求，首先在芯片上选用了ADI公司的AD8331放大器，它是一款单通道、低噪声、宽频带的可控增益运算放大器，工作电压为＋5V，单电源供电，其次利用耦合变压器电路的特性获得两个电压相等相位相反的信号，收发电路与放大器的电路如图3所示。

图3 超声波收发电路与放大器电路图

从图3可以看出，T1为电路中添加的变压器，AD8331为模拟放大器。在此电路中，抽头与二次绕组的上下端产生的信号电压即差分信号直接与放大器的VIP和VIN 端相连，差分信号经过放大器后继续输出两路差分信号连接到下级放大器的输入端。

该电路设计将变压器与耦合电路相结合，利用变压器实现了收发电路与放大器的隔离，提高了系统的抗噪声性能，利用耦合电路获得两路电压相等相位相反的差分信号，同时由于变压器两端直流电压可以不相等的性质，使得放大器可以采用低功耗、低成本的单电源放大器，从而降低了系统功耗。另外，在电路设计中，将耦合变压器的中心抽头与放大器的共模信号端相连可以防止放大器无法产生共模输出时输出共模信号，使电路正常运行。

2.3 AD 分时采样实现

AD 采样速度和采样精度对无损检测设备性能有着至关重要的影响。在设计的无损检测系统中，选用了高速AD 采样芯片MAX1448，可以很好地实现对缺陷回波的实时采样，保证回波峰值不漏检。MAX1448采用单电源3V 供电，最大采样频率为80MHz，采样精度为10 位，－3dB 输入带宽为400MHz，内部集成了2.048V 参考电压，正常工作模式时电流消耗为40mA，掉电模式时电流消耗仅为5μA，因此整体功耗为120mW。由于无损检测设备在检测过程中需要对采样数据进行压缩以实现对波形声程方向上的压缩和展宽，因此针对该无损检测系统，重复频率为50Hz，即每隔20ms便有一帧探伤数据，压缩算法采用非均匀压缩算法以实现对采样数据进行小数倍的压缩以得到620个探伤波形数据，系统压缩比最大值设为500，采样频率为40 MHz，因此AD 实际最大采样7.75ms便可完成数据采集，即在20ms内AD 最多工作7.75ms就可完成对有效数据的采集。基于这个原理和分时工作的思想，在该系统设计过程中，当ADC有效数据采样结束时，通过FPGA 输出低电平到MAX1448 的PD引脚，使ADC 处于掉电模式，从而大幅度减少ADC电路的功耗，降低了整个系统的功耗。

所谓的朋辈心理辅导，是区别于专业心理辅导而言的，又可以称为非专业心理辅导。具体是指非专业人员在经过心理辅导知识的学习和培训后，能够为学生、朋友等进行随时的心理引导，解答他们的心理疑问，帮助他们进行心理压力疏导，使同学、亲友等能够得到专业的心理知识排解，使身心得到健康向上的引导，心理疑惑得到及时排解，并对可能产生的心理问题进行主观干预，使其得到专业性的辅导，从而保证心理健康成长，将日常生活中的心理问题进行快速高效解决，避免心理问题的积压和心理疾病的产生。与专业心理辅导相比，具有自发性、亲友性和简便有效性，虽不及心理辅导的专业性，却会产生专业所不及的效果。

3 ARM 处理模块的睡眠与唤醒技术

在系统设计中，ARM 处理器芯片选用了三星公司的2410系列，内核选用了Linux操作系统，版本为2.6.24，文件系统选用cramfs＋yaffs结构，图形用户界面选用了Qt／Embedded 作为系统图形库，利用键盘输入进行工作参数设置及状态查询。

S3C2410芯片是三星公司的一款高性能，低功耗的处理器芯片，已经成功移植了很多嵌入式Linux系统，其本身提供四种工作模式：正常模式、空闲模式、慢速模式、掉电模式，各工作模式下的功耗如表2所示。

3.1 系统睡眠与唤醒工作流程

从表2可以看出，正常模式的功耗最大，掉电模式的功耗最小。在系统设计中，充分利用了S3C2410工作模式之间的相互转换和Linux的电源管理功能，实现了系统的睡眠与唤醒［2－3］。

表2 S3C2410芯片各种工作模式下的功耗与频率

系统睡眠与唤醒的工作流程是：系统上电后开始进行正常探伤工作，在探伤过程中通过键盘输入进行参数设置，当每次按键后开启一个定时器，若在定时器规定的时间内一直有按键输入，系统会处于正常探伤的状态，当定时器溢出时，系统在保存LCD 设置、关闭AD采样等相关设置后便会进入掉电模式，直到有中断将其唤醒，否则将一直处于掉电模式。

3.2 系统掉电与唤醒设置

系统在进入掉电模式前需要先做些准备以保证在唤醒时系统能迅速回到正常工作状态，这些工作主要包括：设置合理的GPIO、配置合理的唤醒源、挂起USB、将掉电期间不希望丢失的信息保存在GSTATUS3和GSTATUS4中、关闭LCD 控制器、设置REFRESH 寄存器使SDRAM 进入自刷新模式、设置CLKCON 进入掉电模式。在唤醒时的工作主要包括：通过唤醒源产生内部复位信号唤醒系统，系统在唤醒时读取GSTATUS2的值以判断是否是从掉电模式唤醒，若确认为掉电模式唤醒后便会继续唤醒的恢复操作，如配置SDRAM 控制器等，一直到SDRAM 自刷新完成，读取GSTATUS3和GSTAUS4的值使系统恢复到睡眠前的状态。

3.3 系统掉电与唤醒实现

该设计充分利用S3C2410处理器工作模式的转换和Linux电源管理的功能，实现了系统的睡眠与唤醒。其关键设计部分主要包括：GPIO 配置、LCD 显示与唤醒配置、ADC电池驱动和应用程序的设计。

LCD 显示与唤醒配置：系统在进入掉电模式前会关闭LCD 从而降低功耗。LCD 在进入掉电模式前会切换控制台并清空framebuffer的数据，而系统在唤醒后则会重新初始化LCD 控制器，因此为了使系统在唤醒后能继续显示掉电前的界面，应该在系统进入掉电模式前应该保存当前对LCD 的设置，在唤醒后重新恢复设置，从而是系统快速恢复到掉电前的界面显示。针对该系统主要涉及的函数如下：①pm＿prepare＿console（）切 换LCD 控制台。②s3c2410fb＿suspend（）挂 起 LCD 控制器。③s3c2410fb＿resume（）唤醒LCD 控制器。

基于这些函数接口可以完成对LCD 的设置，在设计的系统中，主要是通过这些函数接口实现睡眠前状态的保存，唤醒后参数的恢复等工作，使系统在唤醒后能快速显示睡眠前的界面。

ADC电池驱动：S3C2410芯片内部集成了一个8路10位的A／D 转换器，具有采样保持和低能源消耗功能，利用该A／D 转换器可以将模拟量转换为数字量，从而方便数据的分析［4－5］。在系统设计中，主要利用ADC完成对电池电压值的采样并转换为百分比，实现了系统电量的实时读取，使用户可以时刻掌握设备用电量状况。当系统进入睡眠状态时，CPU 是停止工作的，此时系统无法获取设备的电量，即掉电模式下驱动也是停止工作的，当唤醒系统后系统会立刻去读取设备的电量以保证能电量的实时显示。ADC 控制器在工作前是需要初始化的，如选择模拟输入通道，设置预分频系数，设置工作模式等，然后ADC 才能正常工作。对于本次的ADC驱动，相关的初始化工作为设置预分频值13，选择输入通道0，主要涉及的函数如下：①adc＿register＿prescaleset（）设置预分频系数。②adc＿register＿adcchanelset（）设置模拟输入通道。③adc＿register＿adcconvstart（）设置工作模式。这些函数Linux内核是没有提供的，需要设计者根据硬件电路的情况具体实现，利用这些函数接口便可完成ADC控制器的初始化工作［6］。需要注意的是为了使系统在唤醒后能正常工作，必须将这些函数放在ADC的读函数中，以保证系统唤醒后ADC 正常工作，从而使系统正常工作。

应用程序设计：系统的应用程序是基于Qt／Embedded开发的，其提供的键盘事件可以很方便的进行探伤工作的参数设置及状态查询的，因此通过对按键信息的捕捉和Qt定时器功能可以很容易的判断系统进入掉电模式的时间［7－8］。针对该系统，应用程序的设计如下：首先设定一个按键状态的标志ev＿press，通过QKeyEvent事件来获取按键的状态，每次按键后将ev＿press的值赋为1，同时开启定时器开始计时，时间为30 min，如果在30 min内没有任何按键操作系统就会默认设备没有进行探伤操作。当定时器的时间到达后，会再次开启一个10s的定时器以提醒用户系统即将进入掉电模式，若用户此时不想让设备进入掉电模式可以按返回键取消，否则10s后系统便会关闭AD 采样进入掉电状态。当系统进入掉电模式后，如果想恢复到正常的工作状态，只需要按键盘上的任意一个键即可唤醒系统和继续AD 的采样工作。在该应用程序设计中主要是利用QT 的事件系统键盘事件和定时器事件的相互合作来完成系统进入掉电模式的判定，通过键盘事件捕捉键盘信息确定是否有探伤操作，通过定时器事件确定系统进入睡眠模式的时间，同时利用系统控制函数接口发送关闭AD 采样的命令，从而使系统睡眠模式时的功耗能最低。

4 系统测试

如图4所示是本次测试时所使用的超声检测设备，其尺寸为210mm×153mm×30mm，整机的重量不超过0.6kg，基本实现了无损检测的基本功能。利用变压器耦合电路、AD 分时采样技术和ARM 的休眠技术，可大幅度降低系统功耗，提高设备的续航能力，延长连续工作时间。下面以该设备为例给出测试结果。

图4 低功耗超声波检测设备

4.1 模拟信号处理模块测试

在设计的超声检测系统中，模拟放大器采用的是ADI公司的可变增益放大器AD8331，单电源供电，为了满足探伤标准，超声波探伤仪的模拟前端用了3级AD8331级联，测试结果如表3所示。超声波收发电路若采用间接耦合方式即变压器耦合电路，在供电电压为＋5V，供电电流为0.05A 的情况下，总功耗为0.75 W，若采用直接耦合电路，放大器需采用双电源供电的AD603芯片，并且供电电压为±5V，此时的总功耗为1.5 W，可以看出功耗降低了一半。

表3 收发电路功耗对比表 W

4.2 ARM 睡眠与唤醒测试

为了能快速验证系统睡眠与唤醒的功耗，在测试时将定时器的时间设为30s，中断0设为系统唤醒源，利用minicom 工具追踪系统工作和睡眠时的状态，通过直流稳压电源可以查看到系统的供电电压是常量，电压为14.4V，系统正常运行时的电流为0.3 A，当设备掉电模式时流过系统的电流是0.15A，可以得到在掉电期间电流下降了0.15A，即在掉电模式的时候系统的总功耗降低了2.16 W。

5 结论

笔者介绍了一款超小型超声检测系统低功耗的实现方案，着重从硬件和软件两个层面讨论了其中关键技术的实现方法。在硬件方面讨论了超声波收发电路的设计和AD 分时采样的实现，在软件方面讨论了ARM 工作模式的转换，实现了系统的睡眠与唤醒。该方案充分利用了耦合电路和变压器相结合的方法实现了收发电路与放大器的隔离，利用分时工作的思想实现了AD 采样的间断工作，利用Linux操作系统电源管理和ARM 时钟功率管理的功能，减少设备工作时间从而降低系统的功耗，提高系统的效率，延长设备的使用时间，为超小型超声检测系统超长待机提供了可能。

［1］胡建垲，张谦琳.超声检测原理和方法［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，1993：20－29.

［2］MEL G.Understanding the linux virtual memory magager［M］.Upper Saddle River，New Jersey：Prentice Hall，2004：87－90.

［3］JASMIN B，MARK S.C＋＋GUI Programming with Qt3［M］.Upper Saddle River，New Jersey：Prentice Hall，2004：86－94.

［4］许药林，沈祥华，徐大专.超声相控阵成像系统软件设计［J］.无损检测，2013，35（4）：5－9.

［5］常青龙.基于ARM 平台的超声波自动探伤硬件系统的研制［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

［6］ROBERT L.Linux内核设计与实现［M］.北京：机械工业出版社，2011：91－106.

［7］马忠梅，李善平，康慨，等.ARM＆Linux 系统教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004：13－17.

［8］丁松林，黄丽琴.Qt4图形设计与嵌入式开发［M］.北京：人民邮电出版社，2009：327－340.