小型低功耗的超声无损检测系统的设计与实现

张宇堃

摘要：該文阐述了超声无损检测技术的检测原理和发展方向，然后基于小型、低功耗、便携式的理念设计了一种基于Linux操作系统的超声无损检测系统。硬件方面详细设计了电源模块、模拟信号处理模块和ARM处理模块，软件方面详细设计了设备驱动程序、探伤功能模块。主要采用变压器耦合电压的方式来将发电器与放大器之间的输出电压降低，利用分时采样思想来减少AD采样功耗，利用S3C2410微处理器工作模式的转换实现该检测系统的睡眠和唤醒，满足系统低功耗的设计需求。

关键词：低功耗  超声无损检测  Linux操作系统  S3C2410微处理器  变压器耦合电路

中图分类号：TM619   文献标识码：A Design and Implementation of the Small and Low-Power Ultrasonic Nondestructive Testing System

ZHANG Yukun

（Baoji Quality and Technology Inspection and Testing Center， Baoji， Shaanxi Province， 721000 China）

Abstract： This paper expounds the testing principle and development direction of ultrasonic nondestructive testing technology， and then based on the small， low-power， portable concept， designs an ultrasonic nondestructive testing system based on the Linux operating system. In terms of hardware， it designs the power module， analog signal processing module and ARM processing module in detail， and in terms of software， it designs the device driver and flaw detection function module in detail. It mainly uses the method of transformer-coupled voltage to reduce the output voltage between the generator and the amplifier， uses the time-sharing sampling idea to reduce the power consumption of AD sampling， and uses the conversion of the working mode of the S3C2410 microprocessor to realize the sleep and wake-up of the testing system， so as to meet the design requirements of the system with low power consumption.

Key Words： Low power consumption; Ultrasonic nondestructive testing; Linux operating system; S3C2410 microprocessor; Transformer-coupled circuit

1超声无损检测技术概述

超声无损检测也可称为超声波检测，是现阶段一种新型的检测技术。超声波的频率可达20 kHz，超声无损检测技术除了含有声波传输的基本功能以外，还有着众多不同的优点。其对工件的无损检测原理为：利用超声波的反射或散射效应，对工件内部结构进行检测，可有效得出此工件内部构造缺陷的应用性评估。超声波检测方法可分为三大类，分别为共振法、穿透法和脉冲反射法，其中第三种方法是所有方法中通用性最强的方式。而脉冲反射主要通过发射特定的超声波来进行工作，根据反射波的时间和形状来判断工件的缺陷情况与种类。被测工件的材料、检测目的、应用场景等因素的千变万化使得超声无损检测系统更加多样化，但它们的基本结构和发展趋势几乎一致。

在现代化社会发展过程中，超声波无损检测系统的操作更加简单、结果更加精准可靠。模拟和数字两部分的组合应用，实现了缺陷的自动判别、处理和保存等。模拟部分主要完成超声波的触发和回波信号的接收，数字部分则主要对信号进行处理，给出控制检测结论。随着计算机技术、智能技术的发展，超声无损检测系统正向着系统化、模块化、小型化、低功耗等方向发展，检测系统的检测灵敏度、分辨率将会更高[1]。

2小型低功耗的超声无损检测系统硬件设计

2.1总体框架

为满足超声无损检测系统的性能指标、功能需求以及小型低功耗的需求，该系统的设计采用高性能嵌入式系统来实现，将各功能模块集成在一起，但每个模块的功效应始终保持在低状态，确保整个系统在运作期间的功耗，并有效延长小型超声无损检测系统的寿命[2]。此系统在构建初期采用了FPGA+ARM的处理结构，如图1所示。主要分为硬件层、嵌入式系统层和应用软件层，通过调用系统的控制硬件与接口访问两部分，来利用Linux操作系统实现无损检测。

该系统具体的工作流程为：高压条件可有效激发探头来发射超声波并可收到回波，回波信号便会自动转化至电信号输入模拟信号处理模块，后送入采样模块，将采用后的数据送至FPGA高速数据处理模块，使其转换为低速回波信号后便会自动储存至存储器，最终嵌入式微处理器会自动处理低速信号数据。

2.2电源模块设计

每个不同模块之间对于电源电压的需求不同，电源模块也需要通过电压来分解，以便给每个部分的模块供电。此系统的输入电压为14.4 V，为保障供向各功能模块的电源高效稳定，采用模拟电源和数字电源分离供电的方案。模拟电源采用DC-DC电路设计，确保输出电压的宽范围和高效率；数字电源采用LDO线性稳压电路设计，确保电源稳定性。将14.4 V的输入电压分解得到12 V和5 V的电压为模拟信号处理模块供电，1.8 V与3.3 V之间的电压主要为ARM供电，3.3 V和1.2 V主要为FPGA处理模块提供电源支持，通过合理控制电源的分配，从而降低系统功耗[3]。

2.3模拟信号处理模块

此模块主要通过超声波收发、增益提升、高压生成及最终数据采集部分组成，利用放大器将回波信号放大后进行采样和处理。增益放大模块通常会使用三级AD8331级联设计，所增益的阶段在0～120 dB之间，AD8331芯片可为其提供增益控制电压线性增加与线性减小两种选择，该模块选用的是增益控制电压线性增加，将芯片的MODE引脚设为低电平即可实现，以起到较好的对噪声的抑制效果。在级联设计中，将芯片的HILO管脚处设置为低电平，第三级设为高电平，通过降至倍数来获得更好的信噪比[4]。

2.4 ARM处理模块

ARM微处理器是该模块的核心，该检测系统采用的是S3C2410型号的嵌入式微处理器，其主要的作用是为了低功耗的使用，且核心板的尺寸仅有名片的2/3大小，运行主频在200 MHz左右，具有较强的处理能力、内存管理技术。提供丰富的外设接口，显著减轻了硬件设计的复杂程度，如LCD、USB、UART等接口，可外接蜂鸣器、键盘、显示器等多种硬件设备，提高了系统的利用率、为系统开发提供了便利。系统采用SDRAM+NAND FLASH的存储结构，前者容量为16 M，后者容量为64 M，采用的是两片SDRAM级联以增大系统的内存空间。

3系统应用软件的设计与实现

3.1软件的总体结构

超声无损检测系统软件层的总体结构设计框图如图2所示，内核系统层的设备驱动程序负责为上一层提供统一高效的调用接口，Linux操作系统则主要完成内存管理与模块通信任务。应用软件层主要向用户提供界面显示和实现无损检测功能，软件的界面主要包括功能界面、参数设置等重要界面，其中使用最为频繁的界面为探伤界面。

3.2设备驱动程序设计

系统在设置期间主要利用驱动程序来实现底层硬件控制，设备驱动程序主要负责设备的初始化和释放、实时参数设置、设备数据的读取和传输、出错的处理与检测等。Linux操作系统在实际运行期间将硬件设备当作文件来进行处理。该检测系统采用模块化的方法进行设备驱动程序的设计。设备驱动分三个模块：第一个模块包括FPGA延迟驱动、FIFO驱动和FIR滤波器驱动，这些驱动的设置关系到探伤数据传输和参数配置；第二个模块包括键盘驱动、LCD显示驱动和USB驱动，是对ARM外围设备的驱动；第三个模块包括DAC增益控制驱动、时钟驱动、背光亮度驱动和电池能量驱动[5]。

3.3探伤功能模块设计

该模块的实时处理主要是完成探伤数据从Linux内核空间到用户空间的传输、探伤波形的实时计算和显示，非实时处理模块包括通道校正、参数设置、特殊功能和文件管理4个模块。系统采集每一帧超声波数据的间隔为20 ms，在Qt中通过OPEN函数可打开设备文件名，再通过调用函数read便可实现探伤实时读取功能，之后再计算相应的波形数据。例如峰值计算过程中，所使用的计算流程为：将某一点的波形数据与离最近的四个点进行比较，加入所剩余的那个点比其他四个点大，则认定这轮比较中最大值即为该点，并将其坐标保存到峰值數组中。然后按此方法对该点后面连续三个点进行依次比较，加入此点的最终值比其他四点少，那便将点后移一位，直到重复比较完所有的波形数据。

超声波检测仪器正式运行前须进行探伤通道的校正以确保探伤数据的精准性。用户在使用系统时，系统界面会自动将校正流程以键盘操作的方式推送至用户面前，具体流程如下：首先预置探伤方式、探头类型与前沿距离，然后通过测量零点变移和声波速度、探头k值、探头频率，制作出DAC曲线。最后存储通道参数，开始正式的超声波探伤。

参数设置主要包括系统参数、探伤参数与评定标准参数的设置。其中还包括了探伤在设定参数的设置，而这些设置均归属于FPGA模块，属于FPGA处理模块的相关设置，因此该类参数的设置与控制可通过系统调用相应驱动程序接口修改FPGA中寄存器的值来完成。系统可依据提前设置的评定标准参数自动判断被检测工件的缺陷情况，实现自动化和智能化探伤[6]。

4超声无损检测系统的低功耗设计与测试

4.1低功耗技术设计

4.1.1变压器耦合电路

超声波收发电路与放大器的耦合方式是影响系统功耗的重要因素。通过耦合电路需输出两个电压相等、相位相反的信号，为满足超声无损检测系统的小型低功耗的设计需求，对此，该系统选用了变压器耦合电路。耦合变压器的中心抽头分别与运算放大器AD8331的不同引脚相连，三级AD8331的级联设计能够将放大器产生的差分信号继续运送到下级放大器，从而实现该检测系统的增益要求。采用变压器耦合电路一方面有助于隔离超声波收发电路和放大器，抑制谐波干扰，增强系统的抗噪性能，另一方面可以利用低成本、低功耗的单电源放大器，以降低系统功耗。

4.1.2高速ADC数据的分时采样

对于小型的无损检测设备，A/D的采样精度和速度是影响其性能的重要因素。该系统采用了高速高分辨率的MAX1448型号A/D采样芯片，正常工作模式下整体功耗仅120 MW，采样的数据流速度可达80 Mbit/s。为保障CPU对采样数据的及时存储和显示，在此之前采用非均匀压缩算法先对大规模高速数据流进行压缩处理。通过依据非均匀压缩比对采样数据的实时抽取，显著降低后續的数据处理量，减少资源消耗。该检测系统重复频率为50 Hz，探伤数据获取间隔为20 ms，经过对超声波形数据的小数倍的压缩后可得到620个探伤波形数据，系统最大压缩比为500，采样频率为40 MHz，因此在20 ms内实际仅需7.75 ms就可完成数据的采样，通过软件控制就可以实现对ADC的分时采样。当ADC采样结束后，通过FPGA输出低电平使得ADC处于掉电模式，当下一个20 ms到来时，再通过FPGA输出高电平使得ADC正常运行，以明显降低ADC的采样电路功耗。

4.1.3 ARM处理模块的睡眠与唤醒

该检测系统中ARM芯片采用的是S3C2410，S3C2410支持四种工作模式，正常模式下功耗297 MW，空闲模式下功耗122 MW，掉电时功耗12 MW，关机状态下功耗80 μA。在超声波无损检测过程中，如果系统和设备在短时间不使用时能够切换为睡眠状态，按下恢复键又可以立刻恢复到之前的工作状态，将会减少对系统的开关机操作和每次的初始化工作。对此该系统利用S3C2410工作模式的转换和Linux操作系统的电源管理实现系统的睡眠和唤醒。其工作流程为：系统上电后正常探伤，并开启定时器。在定时的时间内处于正常工作状态，如果定时器计数溢出，系统便保存睡眠前的探伤参数和LCD的值，关闭AD采样进入睡眠状态，除唤醒单元外其他部分不产生功耗。将键盘作为唤醒单元，当键盘有按键出现时，将会唤醒CPU、打开AD采样进行探伤工作，如果没有按键则一直睡眠，直到探伤工作人员将其关机。

4.2系统的低功耗测试

超声无损检测设备从芯片体积、电路设计以及PCB版的设计等多方面进行考虑以减小整个设备的体积，最终得到设备的大小为210 mm×153 mm×30 mm，整个设备重量小于0.6 kg，满足了小型体积的设计需求。在系统的功耗测试方面，将该系统与传统系统进行对比，得到的模拟信号处理模块的功耗测试结果如表1所示。

由测试结果可知，相比于传统的无损检测系统，该系统的总体功耗降低了近一半，能够使系统有更长的待机时间，也有助于延长电池使用寿命。

在系统睡眠与唤醒的测试中，为使系统快速切换为睡眠状态，将定时器的时间设为30 s，在实际的使用中可将定时时间延长。定时器溢出时系统界面会给出提示：10 s后仪器将进入待机状态。若没有按键操作，则系统进入睡眠状态，此时利用直流稳压电源观察系统的电流，流过系统的电流变为0.15 A。当系统唤醒后，流过系统的电流为0.3 A，由此可以得出，系统在睡眠时的功耗降低了一半，较好满足了系统的低功耗设计要求。

5结语

体积小、重量轻和功耗更低的超声无损检测系统能够适应更加复杂的检测环境和场所，逐渐成为了现代检测业务发展的需求。该文采用FPGA+ARM的处理结构、基于Linux操作系统设计了一种小型低功耗的检测系统，利用变压器耦合电路、分时采样、ARM处理芯片工作模式转换这三种思路降低了系统的整体功耗，实现了现代检测系统的低功耗、小体积的设计需求。

参考文献

[1]李昊.超声无损检测技术的现状和发展趋势[J].内燃机与配件，2021（18）：192-193.

[2]郭鹏鹏.超声无损检测系统的模块化设计与实现[D].南京：东南大学，2021.

[3]左鹏.探讨超声探伤技术在无损检测中的应用[J].电子元器件与信息技术，2021，5（8）：65-66.

[4]于国海.基于FPGA信号处理的电磁超声轨道无损检测[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[5]高超，苏建华，赵亚丽.超声波检测设备的软件系统研究[J]. 福建电脑，2020，36（11）：112-113.

[6]徐良伟.嵌入式系统低功耗设计研究[J].中国新通信，2021，23（8）：67-68.