基于单片机与CPLD的矿山巷道两帮变形检测研究

（阜新高等专科学校，辽宁 阜新 123000）

深部开采是采矿业未来发展的必然趋势。伴随着深部矿业的发展，收获资源的同时，也有很多问题相伴产生，比如矿山顶板事故等，对我们的生活带来惨烈的代价。能检测矿山巷道两帮破坏的信号，进而采取措施，对于预测和防治矿山安全事故，防止灾害的发生有重要意义[1,2]。

矿山巷道两帮破坏信号的检测，目前主要有两种方法，分别为电磁辐射法、电荷辐射法。其中，电磁辐射法由于电磁信号易受到的干扰比较大，且噪声难以消除，故未能大规模应用于现场。电荷辐射法又因在岩石受力变形破裂过程中产生的电荷量非常小，很难被检测到。相较而言，声发射法对于检测矿山巷道两帮更主动一些，尤其以频率超过20kHz具有方向性集中、振幅小、穿透力强等特点的超声波为优[3]。通过超声波纵波波速在岩石受力中的变化为依据，判断岩石受力内部的破坏情况，超声波检测以其精度、效率和分辨率高、快速经济、灵活方便、剖面直观等优点得以很高的实现可行性[4]。

1 超声波探伤仪的实现

超声检测控制系统要求软硬件具备现场可编程、体积小、重量轻、低功耗、高可靠性等优点。单片机和CPLD都具有现场自动化控制编程功能，将两者结合，提出“单片机+CPLD体系结构”则能够有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以CPLD为控制核心的系统的缺点，切合了系统设计的性能需求，把二者的长处最大限度地发挥出来，故提出了基于“单片机+CPLD体系结构”来架构该控制系统的解决方案。

超声波探伤的过程就是超声信号的发射、接收、采集、处理、显示的过程。本系统A型脉冲反射式超声波探伤仪从功能上有两大块，数据采集和数据分析。数据采集是回收超声发射信息和回波信息，数据分析是通过回波信息分析判断缺陷的定位和定量。

超声波在矿山巷道中传播时，发射信号与回收信号必定不同。分析岩石内部遇到裂纹、气孔等缺陷时的回波信号；分析超声波在不同介质中传播的衰减特征，根据分析数据来检测被测物内部的缺陷情况，以实现缺陷的判断、定位和定量，并将处理后的数据送液晶显示模块以实现人机交互功能。

1.1 系统组成

A型脉冲反射式超声波探伤仪的硬件组成主要有五大功能模块的逻辑电路和单片机外围接口电路，(如图1所示),图中单箭头表示控制信号，双箭头表示数据信号。硬件五大模块中，单片机和可编程逻辑器件是主控模块，是整个系统的核心部分。主要完成系统的总体控制和各功能模块之间的协调运行，比如检测过程中超声信号的发射；数据存储器RAM主要存储将模数转换后的回收信号。MCU主控模块读写于数据存储器RAM，并对数据进行运算处理。A/D转换模块是将模拟信号转换成数字信号，超声发射信号和回收信号都是模拟信号，在数据存储器中需要以数字信号的形式存储，故A/D转换模块的功能即匹配的数据缓冲器速度的模数信号转换。

人机对话模块主要将超声波信号以更加直观的形式体现出来，包括对检测参数的设定和检测结果的智能化调整。通讯接口模块主要完成与计算机之间的数据通讯和控制信号通讯，包括MCU与上位计算机之间的串口通讯，CPLD与上位计算机之间的JTAG接口通讯。

图1 系统硬件电路结构图

系统的软件实现主要两个部分，界面设计和参数设置。界面设计大方得体就可以，主要技术在参数设置上。A型脉冲反射式超声波探伤仪的参数包括触发脉冲宽度、采样点数、静态屏、动态屏、缺陷定位，所有参数都可以按键可调整。

通过调整触发脉冲宽度控制系统检测分辨率。采样点数根据检测工件的厚度差异很大，有几个点、也有数百个点，根据被检测工件的薄厚选择采样点数的处理。静态/动态屏幕的显示主要是方便检测人员对处理数据的回放，及连续显示处理后的回波信号。缺陷定位是整个系统中最为关键的一个模块，它以定量的形式给出缺陷或者被测工件厚度的描述。

1.2 系统仿真应用

在超声探伤检测过程中，数据采集和信号分析工作是至关重要的。通过数据的高速采集和大数据量缓冲，对检测结果的波形记录并保存，因此能否实现超声波检测分析和成像处理技术尤为关键。

本系统显示屏幕界面由两个部分构成。左半部分的波形显示区域用于绘制超声回波采样数据，根据显示的波形来对缺陷进行判断，显示精度200＊128像素。右半部分显示必要的信息数据，包括触发脉冲宽度、采样点数、缺陷位置等信息，显示精度40＊128像素大小的屏幕。单片机MCU+CPLD体系结构设计中，回波信号的数据处理是由单片机来完成的，考虑到单片机的运算速度，数据处理精度、内部寄存器资源等因素，本设计中回波信号处理旨在定位被测工件缺陷的位置或者被测工件的厚度，以被测工件为200mm厚度的黄粘土块，根据图中表示，距检测面105mm和161mm处有缺陷。

在波形显示区域中，表面回波、缺陷波、底面回波曲线能够比较清晰地体现，是由于在超声波无损检测过程中，成功消噪回波信号。

本设计通过通滤波器电路进行消噪。算法采用基于迭加的超声回波消噪法，将检测实际收到的信号分解为正常回波信号和干扰噪声两部分。

为了提高信噪比，降低噪声对信号的影响，采取迭加过滤的方法，噪声信号的幅度正负成对称分布，迭加使噪声的幅度正负相消，随着迭加次数的增加，噪声值接近于零，如图2所示。图2 a)所示的波形是本检测系统对标准试块进行检测得到的回波信号，图2b)所示的波形是经迭加20次处理后的回波信号。

图2 迭加处理前、后的信号

2 结论

本文借助超声波探伤的基本原理，结合模拟电子技术、数字电路技术、可编程逻辑控制技术、单片机技术等，从单片机与CPLD芯片的理论特点出发，设计了基于单片机与CPLD的A型脉冲反射式超声波探伤仪。实验室研究发现对被测对象的固有属性、功能、状态、缺陷及发展趋势等进行分析和预测，降低冲击地压对我们生活的惨重影响，精确掌握矿山巷道两帮的程度、变形位置等信息，对矿山安全达到很好的预防目的。在开发过程中，借鉴了许多的成熟经验和技术，经过了功能模块设计、调试，系统集成、调试的反复研发过程，克服了一系列实际问题，对矿山巷道两帮破坏情况的检测有很好的指导性意义。但由于触发脉冲宽度的限制、屏幕大小的限制，对于更深度的岩石受力分辨率有待进一步提高。