基于ARM的超声信号采集系统❋

谢友鹏，韩庆邦，鲍 娜，殷 澄，朱昌平

（河海大学物联网学院，常州213022）

基于ARM的超声信号采集系统❋

谢友鹏，韩庆邦，鲍 娜，殷 澄，朱昌平

（河海大学物联网学院，常州213022）

给出了一种基于ARM的超声信号采集系统设计方案，介绍了该方案中各个功能模块的具体实现，以意法半导体公司的ARM控制器作为核心器件，根据PC端上位机下发的控制指令实现对最多16路超声波信号进行放大和采集，并将超声波数据传送至PC端进行显示。系统设计简洁，具有较强的灵活性和扩展性。系统的成本与目前市场上的同类产品相比要低很多。介绍了系统的整体架构，论证了超声信号的放大和采集设计方案。实际测试结果表明，系统能够有效地采集超声波信号，最高采样速度达到1MSPS/s。

信号采集；超声波；串口

1 引 言

数据采集系统是信号与信息处理系统不可缺少的组成部分，广泛应用于微电子技术、计算机技术和通信技术等领域。超声探伤凭借设备轻便、成本低、检测效率高以及对人体无害的特点，广泛应用于无损检测领域［1-3］。但是现在市场上的超声探伤设备普遍存在价格昂贵、操作繁琐的缺点，为此设计了一套超声波采集装置，该装置可以与脉冲式的超声激励源配合使用，为整个探伤中调节超声信号并实现采集和绘图分析，对整个超声波探伤尤为重要。所述系统充分利用了ARM高性能、低功耗、低成本等优点，可实现无损探伤中的超声波信号采集。给出了该系统的整体设计方案并对各个主要功能模块的实现做了详细说明，同时搭建实验平台对该系统功能做了验证。

2 系统原理与设计

超声探伤是利用超声波以一定的速度和方向传播，当其遇到声阻抗不同的异质界面就会产生反射的现象进行的［4］。最常用的是脉冲回波探伤法，探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经采集仪器采集后得到数据，通过对数据进行分析即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。

图1为超声探伤中常用的两种探伤方法示意图。在待测物体中的a、b、c分别表示超声换能器产生的原波、遇到缺陷的反射波和透射波，脉冲回波探伤法通过采集分析反射波进行缺陷检测，而穿透法通过采集分析透射波来进行缺陷检测。

图1 两种探伤示意图

为了防止待采集的反射波或透射波与原波或其他超声信号叠加造成分析困难，超声激励装置必须采用间歇性的触发方式，这也决定了采集装置上必须有一个同步功能，用来准确的采集超声信号。

超声信号采集系统的结构框图如图2所示，主要由放大器、AD转换器、Flash存储器、串行通信单元和上位机组成。放大器对输入的超声波信号进行放大，以适应A/D转换器的转换量程。每次转换的数据存储到Flash中，转换完成后，将Flash中的数据通过串口传输到上位机中进行分析。为了简化系统结构、系统选用集成了AD、Flash和串口功能的ARM控制器。

图2 采集系统总体功能框图

采集系统的同步信号接入到GPIO接口中，主要通过程序完成触发功能。

2.1 ARM采集模块设计

系统采用了意法半导体公司基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103ZE作为控制核心。Cortex-M3内核是基于ARMv7-M体系结构的32位标准处理器，具有低功耗、少门数、短中断延迟、低调试成本等众多优点［5-6］。该芯片具有512K字节闪存、16通道的12位A/D转换器、7通道的DMA控制器、5个USART串行通信接口。

通道采样时间可编程，总转化时间可缩减到1μs，此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输［7］。本系统采用定时器触发的同步注入模式，能够对信号进行同步采样。

由于用于向上位机传输数据的UART能传输数据的位宽是6-8位［8］，而所用ARM中的AD转换器的位宽是12位，所以在ARM程序中将ADC采集到的数据分成高低两个8位字节进行发送。

系统使用STM32内部的AD转换器，其参考电压Vref＋会因为封装的不同而略有差异，一般引脚数目小于或等于64的，其参考电压在芯片内部与VDD相连接，而引脚数目大于64的需要外接参考电压。系统选用的芯片引脚数为64，所以Vref＋默认与VDD相连接为3.3V，这就要求AD前端放大电路的输出信号不能超过3.3V。

2.2 信号放大电路设计

为了保证系统的简洁性，系统中所有的硬件模块均由PC机的USB接口供电，而USB接口的输出电压为0-5V，所以信号放大电路采用单电源供电方式。

单电源供电时运放只能放大对地电压为正（信号同相端输入）或为负（信号反向端输入）的直流信号。为了获得不失真的交流放大波形，需通过给输入信号叠加对地的偏置电压，而得到对地电压大于零的直流信号。如果单纯考虑将信号的最大范围放大，偏置电压应选择为Vcc/2，但是在采集系统中，目的是对模拟信号进行放大，而AD转换器能转换的最大模拟电压为参考电压Vref＋，有些芯片的Vref＋会小于Vcc，所以系统的偏置电压应设定为Vref＋/2。

系统的信号放大电路图如图3所示，使用电阻R5和R7进行分压为系统提供偏置电压，为减小偏置电压源的输出阻抗，采用运放U1A进行跟随，将其输出作为整个放大电路的偏置电压源。

设偏置电压源的偏置电压值为Vref，对于U2A运放来说，由运放“虚短虚断”公式计算得出：

由公式（1）、（2）和（3）可知，

由于运放U1B构成放大电路结构和U2A的一样，在此不再推算，直接得出：

图3 信号放大电路图

图中平衡电阻的取值遵循以下原则：

2.3 上位机程序设计

上位机的主要任务是提供一个良好的人机交互界面，直观方便的操作下位机，使其能够采集、分析超声波数据，并且将数据画成时域和频域图形。

上位机流程示意图如图4所示，主要使用C＃中的serial控件来操作串口读取一定量的数据，然后将每相邻的两个8位位宽的数据合成一个16位数据，最后将数据画成波形。

图4 上位机流程示意图

3 系统测试实验

对提出的超声采集系统进行了验证和指标测试。测试对象是一组如图5（a）所示的边长为50厘米的立方体混凝土石墩。实验首先利用图5（b）中的脉冲源发出脉冲激励信号，经过超声换能器转换为超声信号，超声穿过被测石墩由负责接收的超声换能器转换成电信号，经图5（c）中的采集系统采集得到数据，并在上位机中进行画图。

图5 采集实验连接图

通过图6可以发现通过该装置对混凝土进行超声探伤可以接收到明显的回波信号。

图6 上位机采集波形图

经测试，文中的采集系统能有效的将超声换能器转换出的微弱电信号进行放大，并采集数据，最高采样速度达到1MSPS/s。

4 结束语

针对目前的超声探伤设备价格昂贵，少有独立的专门针对超声探伤特点的采集系统，提出一种基于ARM的的超声信号采集系统。该采集系统能与脉冲式的超声触发设备有效结合实现超声探伤的工作，并且与市面上的一些超声探伤装置相比该系统成本较低。

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Ultrasonic Signal Acquisition System Based on ARM

Xie Youpeng，Han Qingbang，Bao Na，Yin Cheng，Zhu Changping
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

This paper presents a design of ultrasonic signal acquisition system based on ARM of the ST and designs each functionalmodule.The system uses ARM core processors to implement the control of a 16 channel signal amplifying and acquisition according to the commands from PC，and then to realize real-time display.The design of the system is compact，flexible and expendable.The price of the proposed device ismuch cheaper than those in themarket.The architecture of the system is introduced as well and the amplifying and acquisition of the signals are also designed in detail.The experiment results show that the system can clearly collect the ultrasonic signal in rate of 1MSPS/s.

Signal acquisition；Ultrasonic；USART

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.024

TP274

A

1002-2279（2015）03-0089-03

国家自然科学基金（11274091）；国家自然科学基金（11274092）；河海大学中央高校基金项目（2011B11014）

谢友鹏（1989-），男，天津人，硕士研究生，主研方向：嵌入式与超声探伤。

2014-09-25