便携式磁记忆检测仪系统硬件设计

马晓琳，朱红运

（军械工程学院 河北 石家庄 050003）

金属磁记忆检测技术是基于铁磁材料的磁机械效应和磁弹性效应原理，对应力集中处形成漏磁场的特性进行检测，并对危险部位作出可靠评价的一种无损检测方法[1]。便携式磁记忆检测仪的设计开发，结合设备的实际情况，将嵌入式技术应用于磁记忆无损检测领域，研制智能化程度高、操作简单实用的便携式磁记忆检测仪，满足野外条件下进行现场检测的要求，确保设备安全运行，避免恶性事故发生。

1 系统概述

结合便携式磁记忆检测仪的应用背景和现场检测的实际要求，应遵循以下几点原则：1）实用性。设计的系统功能齐全，应包含磁记忆检测仪所需的基本功能，运行安全可靠，操作简单方便，界面友好，便于携带，符合现场检测实际应用要求；2）可扩充性原则：系统设计时应采用模块化结构设计，各模块独立性强，模块的增加、减少或修改对整个系统的影响小，便于系统的改进升级，使系统可以不断完善。

便携式磁记忆检测仪硬件系统采用核心板+功能底板的开发模式，构建以S3C2440A微处理器为核心的嵌入式系统硬件平台，采用这种结构可靠性高，扩展性强，便于以后硬件平台的升级和完善。硬件系统结构框图如图1所示，处理器最小系统作为检测仪的控制核心，单独做成一块核心板，主要包括能够使处理器正常工作的基本电路；功能底板是在最小系统的基础上，配置了通信模块、人机交互模块和I/O扩展模块等。由检测探头捕获的磁记忆信号经放大滤波处理后直接送往S3C2440A自带的ADC进行数模转化，无需单独增加A/D转换模块，简化了电路，符合嵌入式磁记忆检测仪便携性的设计要求，同时也提高了系统的可靠性。

硬件电路的工作原理为：当传感器获取磁记忆检测信号，经调理电路进行放大滤波处理后，使其符合A/D采样电压要求，再通过嵌入式平台对磁记忆信号进行分类处理，进而完成对缺陷的识别。仪器提供了良好的人机交互，通过触摸屏控制，可对检测数据进行显示、存储等操作。同时，检测数据可以通过外围接口传给上位机，为磁记忆检测理论研究提供真实可靠的数据。

2 硬件设计

本设计遵循模块化的设计思想，完成了便携式磁记忆检测仪硬件系统设计。下面从便携式磁记忆检测仪检测探头的设计、硬件平台核心板的选择、功能底板的电路设计以及硬件抗干扰设计4个方面阐述便携式磁记忆检测仪硬件系统的设计方法。

图1 便携式磁记忆检测仪结构框图Fig.1 Structure diagram of portable measuring system in MMT

2.1 磁记忆检测探头设计

磁记忆检测技术是通过检测应力集中区形成的漏磁场实现缺陷检测的，即磁记忆信号反应的是由于应力集中造成的自有漏磁场的变化。为了采集微弱的漏磁场信号，设计高性能的检测探头这对整个检测过程至关重要，直接影响检测仪的精度和灵敏度[2]。本文设计选用Allegro公司的A1302线性霍尔传感器对被检对象磁场进行测量。

传感器模块具体结构如图2所示，其工作流程为：将传感器安装至铝质合金盖上，屏蔽罩屏蔽外部磁场干扰，磁记忆信号经过铝质合金盖进入传感装置，聚磁片对该磁场进行聚磁，霍尔传感器感应聚磁后的磁场信号经引线传出作为探头的输出。

图2 传感器模块结构图Fig.2 Sensor module structure

传感器的提离值对检测的灵敏度至关重要，为减小提离效应的影响，在检测过程中，探头需要保持贴近被检工件表面。利用浮动的压簧装置可实现这一要求，压簧顶端被支架固定，底端压住探头贴近工件表面，当底板表面不平整时，探头被顶起，压簧变形可承受其位移。同时，铝质合金盖两侧设计成倒角，使探头在移动过程中平滑过渡，以免直接撞上工件表面上的突起而减少探头使用寿命，同时也会影响传感器接收信号。

2.2 硬件平台核心板的选择

构建一个嵌入式系统硬件平台，首先需要根据功能需求选择一款合适的嵌入式微处理器，这是嵌入式系统设计中最为关键的部分。在选择处理器时，主要考虑的因素有：处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调试工具等。本设计根据便携式磁记忆检测仪的设计要求，选择三星公司的S3C2440A微处理器作为检测仪的控制核心，构建了基于S3C2440A处理器的嵌入式平台。S3C2440A嵌入式微处理器芯片使用ARM920T架构，兼容16位的Thumb指令和32位的Arm指令，支持多种嵌入式操作系统，拥有32位数据总线，其在功耗及处理能力方面均处于业界领先地位。基于嵌入式结构的磁记忆检测仪需要同时执行大量的任务，例如实时波形显示，参数计算，数据分析保存等，对处理器的运行速度和效率有着较高的要求，S3C2440A微处理器主频可高达533 MHz，指令执行速率可达1.1 MIPS/MHz，可以满足磁记忆检测仪的设计要求。S3C2440A提供了外部存储控制器，通过扩展大容量的外部存储，可以存储更多数据和参数。S3C2440A支持LCD触摸屏，使人机交互更为方便。

磁记忆检测仪选用飞凌公司生产的FL2440核心板，其技术工艺成熟，运行可靠稳定，标称工作频率为400 MHz，采用DIMM144标准接口。FL2440核心板作为便携式磁记忆检测仪的运算和控制中心，负责控制数据的采集和处理、缺陷识别、波形实时显示等功能，其主要由S3C2440A嵌入式微处理器、时钟电路和外部存储器等组成。

2.3 功能底板电路设计

根据便携式磁记忆检测仪的设计要求，在功能底板设计时不仅需要考虑基本的功能端口，还需考虑系统调试接口的设计，其主要包含以下具体电路模块：USB接口、JTAG调试接口、RS232接口、LCD触摸屏接口、SD卡接口、调理电路以及电源电路和复位电路。

1）USB接口电路 本设计USB接口电路主要有 3大功能：第一个功能是下载系统内核，避免由于WindowsCE系统内核较大，通过串口下载速度缓慢的问题[3]；第二个功能是调试应用程序，通过USB接口和ActiveSync工具建立PC机和WindowsCE系统之间的通讯连接，便于程序调试和更新；第三是可以外接多种USB设备进行功能扩展。本设计有一个USB主设备接口和一个USB从设备接口。

2）RS232接口电路 检测仪的设计中，RS232接口主要用于系统调试，通过RS232接口使用三星公司提供的DNW调试软件烧写BootLoader和系统内核[4]。S3C2440A提供了3个串口，可工作在DMA模式或者中断模式，支持5位、6位、7位或者8为数据传输，波特率可调，本设计采用波特率为115 200 bps的传输速度。

3）LCD触摸屏接口电路 目前LCD显示器主要有 STN和TFT两种，其显示原理基本相同，不同的是相对STN屏而言，TFT屏色彩更亮，功耗更低[4]，因此在本设计中选用台湾群创公司生产的7英寸真彩TFT显示屏AT070TN83。S3C2440A内部集成了LCD控制器，LCD可以作为外设直接挂接到系统总线上。本设计采用四线电阻式触摸屏，点数为800 480，主要的信号线有四根，分别是 XP、XM、YP、YM，在点击触摸屏的时，触摸点会发生电压变化，触摸屏控制器控制ADC对该电压进行采样，根据原先设定的参考坐标计算出触摸点的坐标，然后再跳转到相对应的中断去执行子程序。触摸屏控制信号连接匹配电阻可以实现更远距离的数据传输，其中TSXP和TSXM用于连接四线电阻式触摸屏X组引脚，TSYP和TSYM用于连接Y组引脚。

4）信号调理电路 当工件被饱和磁化后，使用A1302霍尔传感器捕获该漏磁场，其输出电压只有几十毫伏。为了与S3C2440A内部集成的ADC的输入电压范围（0～3.3 V）匹配，需要设计一个合适的信号调理电路，将传感器输出的电压信号放大到ADC所能接收的电压范围内进行模数转换。

信号调理电路原理图如图3所示，选用仪用放大器INA128构成差分放大电路，放大器IN+输入端接传感器输出信号SENSOR_OUT，输出端接嵌入式平台的ADC接口，放大器的输出可通过如下公式计算得到。

为了方便调节放大器的增益，本设计采用程序控制的方法，即通过软件控制得到合适的增益。设计中选用X9C103数字电位器作为放大器的反馈电阻，通过改变数字电位器的阻值来实现增益的调节。电路中的电位器R5用来调整放大器的参考电压REF，保证放大器输出电压在0～3.3 V范围内。

图3 信号调理电路Fig.3 Circuit of signal adjusting

2.4 硬件抗干扰设计

为了提高仪器的稳定性和可靠性，在硬件设计时必须充分考虑仪器的抗干扰性[6]，而且需要将抗干扰设计贯穿于整个设计过程。本文设计的S3C2440A嵌入式平台主频高达400 MHz，总线上的速率也达到100 MHz，属于高速数字电路，在PCB设计过程中必须遵循高频电路设计的基本原则，如：根据硬件功能进行模块化布局；合理配置去藕电容；合理设计地线；提高敏感元件抗噪性能等。设计完成后的LCD显示界面如图4所示。

图4 便携式磁记忆检测仪显示检测信号Fig.4 Display of detection signal in portable magnetic memory detector

3 结束语

结合磁记忆检测的应用背景和现场检测的实际要求，遵循可行性、实用性和可扩充性原则，设计了基于嵌入式结构的便携式磁记忆检测仪，具有体积小、功能强、可靠性高等优点，有利于仪器的小型化、集成化，从根本上克服了基于PC系统检测仪体积大、功耗高的缺点。

[1]Roskosz M.Metal magnetic memory testing of welded joints of ferritic and austenitic steels[J].NDT&E International，2011，44（3）:305－310.

[2]孙贵周.便携式储罐底板腐蚀漏磁检测仪研制 [D].武汉：华中科技大学，2006.

[3]张少兵，王振臣，姚帆.以ARM9为平台的嵌入式USB技术开发[J].现代制造工程，2010（2）:56－59.ZHANG Shao-bing，WANG Zhen-chen，YAO Fan.A technology development of embedded USB based on ARM9[J].Modern Manufacturing Engineering，2010（2）:56－59.

[4]于相斌，常丽敏，张亚刚.具有RS232串口的电容式油量传感器设计[J].仪表技术与传感器， 2007（4）:56－57，60.YU Xiang-bin，CHANG Li-min，ZHANG Ya-gang.Design of capacitor-type fuel quantity sensor with RS232 interface[J].Instrument Technique and Sensor，2007（4）:56－57，60.

[5]梁明亮，张惠敏，徐冰.基于ARM微处理器的液晶触摸屏的接口设计[J].计算机测量与控制，2011，19（3）:691－693.LIANG Ming-liang，ZHANG Hui-min，XU Bing.ARM microprocessor—based LCD touch—screen interface design[J].Computer Measurement＆ Control，2011，19（3）:691－693.

[6]孙飞.单片机硬件抗干扰技术[J].电子材料与电子技术，2012，39（2）:19－21.SUN Fei.Anti-Interference Technology of hardware for single-chip microcomputer[J].Electronic Material＆Electronic Technology，2012，39（2）:19－21.