基于TDC—GP22实现的嵌入式超声波钢材内裂检测探伤系统设计

晏宇 王军民 朱世杰

摘要：本文提出了一种基于TDC-GP22实现的嵌入式超声波钢材内裂检测探伤系统设计方案。该设计采用ATmega328P为控制芯片，用户通过操作上位机液晶屏控制嵌入式系统，功能分为自动模式和手动模式，其下功能细分为开始测量、停止测量、校准、复位、实时显示。解决了目前超声波测距测厚设备对于钢材品质检测数据准确性差的问题。

关键词：超声波；TDC-GP22；ATmega328P；嵌入式；探伤

中图分类号：TP274 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0186-02

当今社会，钢材质量的检测对于冶金业不断改进更新技术，提高产品品质，生产出符合标准的钢材，以及用以指导购买用户根据产品检验报告结果合理选用钢材具有重要的实际意义。通过对钢材产品和半成品的检验，可以发现其存在的质量缺陷，查明存在缺陷的位置并核实原因，逆向指导生产环节规范化，同时也尽可能地杜绝不合格钢材存在的潜在危险。内裂是钢材的主要内部缺陷之一，人们通常把未延伸至表面的内部断裂统称为内裂，表现为气泡等造成的不同形态的裂缝。现在工业中最常用的检测方法之一就是超声波检测，优势在于不破坏和不损伤受检物体，检测的深度较大，对于有缺陷位置的定位更加准确，对应用而言使用方便、成本低、检测速度快、适用于各种复杂苛刻的现场环境且无污染无危害，本文所介绍的就是这种检测探伤方法。对于超声波时差的计算，采用最新TDC-GP22芯片测量，精度高，反应灵敏，对提高系统的测量准确性至关重要。本文结合上述特点展开设计。

1 设计整体结构

1.1 系统结构

整个系统设计分为上位机系统部分和下位机系统部分，用户在使用的时候通过上位机的USART HMI液晶屏的用户界面发出指令，通过无线蓝牙串口主从透传模块接收指令信号，进而将信号传给下位机系统进行数据处理，从而驱动TDC-GP22模块上通过换能器实现数据的采集。

1.2 超声波钢材内裂检测探伤原理

本设计采用的是接触式测量方式，可以选择人工手持、机械臂操作等，使用场景广泛，由于换能器对接触面的要求是越平整越好，在车间工作的过程中，钢材表面大量的灰尘和铁锈粉，这就使耦合剂的使用很关键，可以大大提高测量精度。超声波的测量原理如图1的左边a）所示：换能器发出超声波，接触面返回第一次反射波，得到第一飞行时间，超声波进入钢材并沿直线传播，当到达钢材与空气的介质临界面的时候，也就是到达钢材下表面的时候，返回第二次反射波，得到第二飞行时间，其时间差即为飞行时差，将飞行时间乘以超声波在钢材中的传播速度，即可得到无损无内裂钢材厚度。若出现如图1的右边b）所示：第二次反射波未成功到达钢材下表面，而是中途遇到气泡或褶皱等钢材内裂的状况，就会返回非正常第二次反射波，进而得到非正常第二次飞行时间，由于TDC-GP22对时间的测量精度很高，这种方式得到的飞行时差会比正常飞行时差短得多，这样计算得出的距离就是内裂存在于钢材内部的深度，因此可以通过纵横距离准确定位内裂位置。

1.3 结构器件的选型

（1） 单片机控制模块。本次设计采用ATMEL公司的增强型内置Flash的RISC高速8位AVR系列单片机。该系列单片机包含了低、中、高档三种，前两种现在基本已经淘汰，高档ATmega系列中ATmega328P 芯片具备众多优点，功能强大、反应快、工业级性能稳定、价格低、接口丰富、功耗低，故选用ATmega328P型号单片机。

（2） 无线模块。本次设计采用HC系列无线蓝牙串口通讯模块。该系列模块包含常用的HC-05、HC-06、HC-08等，其中HC-08无线蓝牙串口通讯模块是新一代产品，性能佳成本不高，故选用HC-08作为蓝牙通讯模块。

（3） 测量模块。TDC-GP系列芯片是以时间数字转换器为核心的一种测量芯片，可以很精确的测量两脉冲之间的时间间隔，使之非常适合超声波检测领域。最新的TDC-GP22内部集成了模拟电路输入，模拟信号可以直接作为时间测量的STOP信号被芯片识别，大大简化了芯片外围电路，其内部集成了第一波识别模式，将对事件测量的精度提升到22ps，对时差法测量应用有极大的促进，体积小、功耗低，非常适合高精度持续动态测量工作。故选用TDC-GP22芯片。

（4） 用户界面显示模块。应用USART HMI屏幕，应用范围广，对硬件几乎没有任何要求，没有速度瓶颈，界面的显示是设备内部独立实现的，其布局和大多数逻辑，无须MCU参与只是发送指令，使用方便、生产成本低，显示效果好，故选用 TJC3224T024_011型号液晶屏。

（5） 传感器模块。超声波检测需要将电能和声能相互转换，这里用到换能器，主要性能指标有：工作频率、温度和灵敏度等。由于对测量精度要求较高，这里选用专业超声波探头，参数为测量范围1.2-225mm钢，探头直径10mm，频率5MHZ，接触温度-10～+60℃的5P10 PT-12型号的接触式超声波探头。

（6） 电源模块。穩压电路选用LM系列和AMS系列芯片，优点有：性能稳定、体积小、价格低廉使用非常方便。电路中对所用到的12V、5V、3V3，此处分别选用LM7812、LM7812、AMS7812型号稳压芯片。采用14.8V 锂电池作为供电电源，体积较小，电量大，可重复利用供电稳定。

2 硬件电路设计

2.1 单片机控制电路

本设计中用于上位机系统和下位机系统中的单片机控制电路如图2所示，针对融合上位机用户界面和对下位机测量工作的控制，设计的最小系统，包含最小系统时钟电路和复位电路等。

2.2 TDC-GP22测量电路

本设计用于下位机系统中测量模块的测量电路，如图3所示。其中GP22外接32.768KHZ晶振的问题，在老版本的GP2芯片上的CLK32in和CCLK32out两引脚上直接连接振荡电路，那么电流将高达4.5A，所以需要使用外部单片机引脚将电流降至0.3V以下以降低系统功耗，而在GP22上的时钟控制单元做到了低功耗，将内部配置寄存器1的控制字CURRR32K置零，当处于低电流模式时，接上32，768KHZ的晶振电路电流近0.5A，并且还可以通过控制字SELTSTO1设置FIRE_IN管脚输出32.768KHZ的时钟信号，这样设计既简化了电路，又兼顾了低功耗。

2.3 稳压电路设计

本设计用于电源模块的稳压电路，如图4所示。输入的14.8V电压，分别选用LM7812型号、LM7812型号、AMS7812型号稳压芯片转化成了12V、5V、3V3。

3 软件部分设计

3.1 GUI用户界面设计部分

本次设计使用的是HMI串口液晶屏，使用USART HMI专用软件编写环境，根据液晶屏型号TJC3224T024_011配置工作界面，把需要的功能以控件的方式放入模拟显示区域，由于需要用户操作的功能分为自动模式和手动模式，其下功能细分为开始测量、停止测量、校准、复位、实时显示。根据功能对控件进行编程，以命令字的方式发给MCU进而控制系统工作。

3.2 单片机控制软件部分

本次设计使用的是ATmega328P芯片，使用的是ARDUINO硬件环境，将ARDUINO对应的Bootloader烧写入AVR芯片，然后使用ARDUINO IDE开发环境编程调试。上位机MCU接收HMI发来的控制字，调用对应功能函数，同样以命令字的方式通过串口使用蓝牙模块将信号发给下位机的MCU，根据命令调用功能函数，通过SPI总线发送命令控制TDC-GP22，通过STOP1和STOP2引脚发射脉冲，计算得到飞行时间差，由下位机MCU计算得出超声波深入距离，将所得距离数据通过蓝牙模块回传给上位机，由用户GUI 界面实时显示。

4 结论

本文设计的嵌入式超声波钢材內裂检测探伤系统解决了目前超声波测距测厚设备对于钢材品质检测数据准确性差的问题，由于本系统设备使用场景有着很好的丰富性，对于将来的优化和改进提供了很大的便利。

参考文献：

[1] 姚滨滨等. 基于时差法和TDC-GP2的超声波流量测量方法[J].2011，36（8）：17-20.

[2] 罗敏，龚月红，喻明艳. 时间-数字转换器研究综述[J].微电子学 2014，44（3）：372-375.

[3] 黄永峰. 时差式超声流量计心测量方法设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[4] 邓洪军. 无损检测实训. 北京：机械工业出版社，2010.

[5] 舒晓平. 无损检测准确度保证方法探讨[J]。现代计量通讯，2006（4）.

【通联编辑：李雅琪】