物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统研究

毕 野

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统研究

毕 野

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

为了能够在线无损检测设备内部缺陷与损伤，本文设计一种物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统。该系统通过信号发生器产生脉冲宽度调制波经过放大后驱动探头；探头采集被测试件的缺陷与损伤信号，将含有缺陷和损伤的磁信号转换成电信号，经过调理电路后，在模数转换部分将电信号转换为数字信号传输至STM32f107内;在控制器控制下通过物联网传输至PC机，然后PC机对信号进行分析与显示。

物联网；嵌入式；远程数据；脉冲涡流检测

0 引言

检测技术正朝着无需破坏被检件、快速检测并建立有效的评价体系发展。脉冲涡流检测原理是在漆包线中通入占空比可调的 PWM波，被测件中会感生出磁场，停止向线圈中输入 PWM波时，线圈周围会产生电磁场，该磁场由线圈中耦合的一次磁场和被测件中感应的二次电磁场叠加而成，后者包含了被测件的缺陷与损伤信息，采取合适的方法对二次磁场进行测量、分析，即可得到被测构件缺陷与损伤信息[1-2]。

1 脉冲涡流无损检测系统

本文设计的物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统主要由控制管理、数据采集、无线通讯、存储及各部分接口构成。通过先进的通讯网络将各部分连接在一起，通过上位机处理器对数据进行集中处理，从而实现对脉冲涡流检测各项信息的智能化管理。

2 基于嵌入式的硬件平台设计

2.1 系统整体方案设计

本系统中下位机负责采集数据、信号处理，然后通过物联网传输到上位机PC端，PC端负责数据的分析、处理与显示[3]。设计方案如图 1所示，采用STM32芯片和u C/OS-II操作系统[4]。该系统的通过信号发生器产生占空比可调的 PWM波，经过功率放大器放大作用于激励线圈；传感器采集次生和原生磁场的合成磁场并转换为电信号；电信号经过调理电路在A/D转换器内进行A/D转换；GU906物联网模块把采集到的含有被测件的缺陷和损伤信息通过无线传输至PC端存储分析显示[5]。

图1 物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统Fig.1 Embedded pulse eddy current nondestructive testing system for internet of things

2.2 系统的硬件设计

硬件设计包括信号采集、前端微处理器和物联网模块。其中信号采集是由信号发生器、探头、功率放大器、信号调理电路和模数转换电路构成；前端微处理器是由控制芯片及相关电路构成；物联网模块采用带有无线透传模式的GPRS芯片及其外围电路构成。

2.2.1 控制器电路硬件设计

图2 控制器及其外围电路Fig.2 Controller and its peripheral circuits

控制芯片采用 stm32f107芯片。如图2所示，电源输入12V经过LM2596、AMS1117和MIC29302后分别输出5V、3.3V和4.2V为系统各部分供电；FLASH存储器通过SPI通讯方式与控制连接。该芯片的片选引脚、时钟引脚、接收与发送引脚分别与控制器的PC6、PB13、PB14、PB15连接，PB13、PB14和 PB15引脚可以通过软件设置端口复用功能，使其成为SPI通讯接口。

2.2.2 物联网模块硬件电路设计

GPRS部分采用带DTU功能的GU906芯片，如图3所示，该模块的7、8、9、10引脚分别连接SIM卡的电源、复位、时钟和输入输出引脚。34、35引脚为4.2V供电引脚，31、32引脚是与SIM通讯的TXD、RXD引脚，GSM_ANT引脚为ipex接线端口，通过ipex转sma线和GSM天线连接，增加信号强度。SIM卡槽插入电话卡即可利用流量传输数据。其中2PIN悬空，3PIN接地，1、4、5、6PIN分别为输入/输出、CLK、RST和VCC，与无线透传模块连接。

2.2.3 信号调理电路硬件设计

调理电路部分由放大和滤波电路构成，如图4所示，其中放大部分由三运放差分放大电路构成，两个 OPA335芯片构成差分放大部分，再串联一个UA741CD。滤波电路由两个一阶低通滤波电路和一个 UA741CD运算放大器串联构成。滤波部分中UA741CD在滤波的同时还可以将信号的有用频率进行放大；滤波器中还设计了反馈网络，稳定输出电压。该滤波器的的优点是：体积小、重量轻、不需要磁屏蔽，其作用就是将信号进行滤波、放大、远传，与传感器配合使用，能够提高系统的适应度和环境可靠性。

2.2.4 模数转换的硬件设计

本文要实现实时采集数据，要求测量精度高、抗干扰能力强，因此选择ADS1256模数转换器，该模块数据采集精度为24位[6]。电源地与数字地采用分割地线绘图，防止相互干扰[7]。如图 5所示，本系统将芯片 AINCOM 引脚接地设置为 8路单端输入，该模块与控制之间通过SPI协议通讯。由于AIN0与AIN1、AIN2与AIN3、AIN4与AIN5、AIN6与AIN7之间在芯片内部是有默认差分关系的，所以在她们之间通过并联电容的方式去除干扰。

图3 物联网模块电路Fig.3 Internet of things module circuit

图4 调理电路Fig.4 Conditioning circuit

图5 模数转换电路Fig.5 a/d converter circuit

在上述模数转换电路中使用的 2.5V参考电压是ADR431通过5V电压得到的。5V电压通过0.1uF和10uF两个电容并联滤波后接到ADS431的2PIN上，4PIN接GND，6PIN通过10uF的电容后接入模数转换芯片的VREFP脚。ADR431的其他引脚悬空。

2.2.5 实物图展示

图 6、图 7分别为数据采集、控制器以及物联网模块正面实物图和背面实物图。布板依据走线电流朝同一方向；电阻电容排列整齐美观；同一层上电源线和信号线远离；差分通讯信号走线一致，走线线路等长对称等原则，使得电路板工作稳定。

2.2.6 信号发生电路的硬件设计

信号发生部分是由 STC15L2K60S2单片机、MCP41010和串行数模芯片TLC5615及其外围部分构成。STCl5L2K60S2具有新一代增强型8051CPU[8]。TLC5615芯片输出为电压型，最大输出电压为基准电压值的两倍[9]。MCP41010是一种集成数字电位器，其中PA0，PB0为电位器的两个终端。MCP41010工作电压为 2.7至 5.5V[10]。如图 8所示，利用STC15L2K60S2单片机通过SPI通信控制TLC5615来调节正弦波的频率、相位，通过 IIC协议发送指令控制 MCP010，再经过放大器 LM5615控制正弦波幅值[11]。图9为信号发生器实物图，由于三极管和变压器功耗较大，所以选择直插方式布板，板上多处安装散热片，使得电路板工作稳定。

2.2.7 探头的硬件设计

图6 数据采集、控制器以及物联网模块正面实物图Fig.6 Data acquisition, controller and the physical map of the internet of things module

图7 数据采集、控制器以及物联网模块背面实物图Fig.7 Data acquisition, controller and the back of the physical map of the internet of things module

图8 信号发生器电路图Fig.8 Signal generator circuit diagram

探头是由漆包线、锰锌铁氧体磁芯、TMR传感器电路构成，如图 10所示，TMR传感器采用TMR2102芯片，特点和好处是采用隧道磁电阻技术、高灵敏度、大动态范围、低功耗、优异的热稳定性、低磁滞，在-150高斯到30高斯内是线性的。该芯片6PIN为VCC脚，5V经过两个滤波电容后为该芯片供电，3、4PIN接GND，5PIN为输出引脚，经过1k电阻与滑动变阻器相连，调节滑动变阻器使得初始状态输出为零。

图9 信号发生器实物图Fig.9 Signal generator physical map

图10 磁传感器电路图Fig.10 Magnetic sensor circuit diagram

脉冲涡流采集磁场方式可以分为线圈采集和磁敏传感器采集。检测部分选择磁传感器，不选择线圈检测方式，原因是线圈采集方式只对高频磁场变化比较敏感。磁传感器电路采用贴片式TMR磁传感器芯片。磁敏电阻传感器电路板紧贴锰锌铁氧体磁芯底部且平行于水平面放置。TMR传感器电路包括电源输入及稳压电路、TMR芯片和信号输出端。两个磁传感器芯片分布在电路板的两面，分别采集两个轴向上的磁场信号[12-13]。

3 系统的软件设计

物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统软件设计中，STC15L2K60S2单片机程序的开发包括脉冲宽度调制波形的产生，嵌入式STM32控制器程序的开发包括物联网模块和控制器各端口的初始化。PC端程序设计包括数据的接收、分析处理和显示[14]。嵌入式部分其程序流程图如图11所示。

3.1 系统主要功能程序代码

主函数程序如图12所示。

系统各端口、资源及DMA初始化如图13所示。

模数转换部分程序如图14所示。

物联网部分程序如图15所示。

波形发生部分程序如图16所示。

图11 下位机程序流程图Fig.11 Lower computer program flow chart

图12 系统主函数程序Fig.12 System master function program

图13 系统各端口、资源及DMA初始化Fig.13 System ports, resources, and DMA initialization

图14 模数转换部分程序Fig.14 a/d converter part program

图15 物联网部分程序Fig.5 parts of the internet of things procedure

图16 波形发生器程序Fig.6 w aveform generator program

4 结论

本系统以嵌入式为开发平台、无线GPRS网关、TMR磁传感器探头为前端信息采集核心，构建嵌入式脉冲涡流无损检测系统硬件平台；以无线路由及计算机接收为显示终端，完成将缺陷与损伤信息通过局域网传给服务器达到实时监测的目的。该无线传输抗干扰能力强，设备可多点采集、处理速度快，能够满足大多数现场设备检测需要。

[1] 武新军. 脉冲涡流无损检测技术综述[J]. 仪器仪表学报,2016, 37(8): 1698-1712.

[2] Shejuan Xiea. A hybrid nondestructive testing method of pulsed eddy current testing and electromagnetic acoustic transducer techniques for simultaneous surface and volumetric defects inspection[J]. NDT and E International, 2017, 86:153-163.

[3] 曾金. 远程智能化环境数据采集系统[J]. 计算机系统应用学报, 2017, 26(4): 87-90.

[4] 丁力. 基于STM32的嵌入式测控系统设计[J]. 中南大学学报, 2013, 44(A1): 260-265.

[5] 曹振民. 基于 ESP8266的无线控制电路设计[J]. 工业控制计算机, 2017, 30(1): 68-69.

[6] 刘玉洁. 悬移质泥沙自动监测仪设计[J]. 电子测试,2017(7): 29-30.

[7] 邓奕. Altium Designer原理图与PCB设计[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2015.

[8] 张学森. 基于WEB的中央空调远程集中监控系统[D]. 山东: 山东大学, 2014.

[9] 孙晨晨. 基于TLC5615的DS1233器件筛选测试仪[J]. 建筑工程技术与设计, 2015, 7(20).

[10] 金贵. 数字电位器MCP41010在止鼾器中的应用[J]. 现代电子技术, 2010, 33(4): 187-189.

[11] 孙莹莹. 基于DDS与数字电位器的正弦信号发生器设计[J].电测与仪表, 2012, 49(7): 93-96.

[12] 雷银照. 一种基于带铁芯线圈探头的脉冲涡流电磁无损检测方法: 中国, CN104155361[P]2014. 11. 19.

[13] XIE SHEJUAN.Pulsed eddy current and electromagnetic ultrasonic composite based nondestructive body defect testing method: American, CN105181791[P]2015.09.30

[14] 张荣华. 基于STM32 的涡流检测系统[J]. 天津工业大学学报, 2017, 36(2): 64-68.

Research on Embedded Pulse Eddy Current Nnondestructive Testing System Based on Internet of Things

BI Ye
(Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650500, China)

In order to detect the internal defect and damage of the components of the equipment online, a kind of embedded pulse eddy current nondestructive testing system based on internet of things is designed. The system generates pulse width modulation wave through the signal generator. After amplify the wave driving probe. The probe collects the defect and damage signal, converting the magnetic signal into electrical signal, and after adjusting circuit, converts the electrical signal into digital signal in the analog-digital converter. Under the controller control, the signal through the internet of things transfer to PC, then analyze and display the signal in PC.

Internet of things; Embedded; Remote data; Pulsed eddy current testing

TP23

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.032

本文著录格式：毕野. 物联网嵌入式脉冲涡流无损检测系统研究[J]. 软件，2017，38（11）：168-174

毕野(1993-)，男，硕士研究生，研究方向：脉冲涡流无损检测。