采用ARM的PWM模塊的超聲波檢測系統的設計淺析
近年來以微電子學和計算機技術為基礎的信息技術飛速發展，超聲無損檢測儀器也得到了前所未有的發展動力，為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率，研制數字化、智能化、自動化、圖像化的超聲儀是當今無損檢測領域發展的一個重要趨勢。而傳統的超聲波檢測儀存在準確性差、精度低、體積大、功耗大、人機界面不友好等問題。而超聲波發射與控制電路正是在一種基于ARM的超聲波檢測系統的基礎上，以ARM微控制器為核心，使用C語言編程，方便地實現了發射頻率與激勵電壓脈沖幅度的調節。
1 超聲波檢測系統的總體設計結構
基于ARM超聲波檢測系統主要由3部分組成：超聲波前端發射接收電路、DSP和ARM處理器。
超聲波前端發射電路負責產生激勵脈沖電壓和重復頻率可調的超聲波。接收電路首先將反射回來的微弱信號經放大、濾波等電路處理，然后通過A/D轉換電路對信號進行采集并將采集的信號經數據緩沖FIF0送入DSP。
DSP接收由A/D轉換器經FIF0緩沖后的數據，主要完成計算結構復雜的信號處理算法，提高超聲探傷儀器的精度和數據處理能力。
ARM處理器主要完成兩部分功能：一是控制功能，調節激勵脈沖的寬度和重復頻率以及放大電路的放大倍數;二是實現信號的實時顯示、存儲以及和外部的通信等功能。ARM微處理器采用基于ARM920T的16/32位RISC微處理器S3C2440A。其內核頻率最高為400 MHz，功耗低，體積小，集成外設多，數據處理能力好，因而可廣泛應用于手持設備等。
2 超聲波發射電路
根據被測件的材料、厚度等不同條件，所需的相應超聲波探頭的頻率、發射電壓也不同。發射的超聲波頻率一般為幾MHz，高壓激勵脈沖一般為幾十到幾百伏，脈沖的上升時間不超過100 ns。根據頻譜分析，激勵脈沖寬度探頭頻率之間存在著最佳關系式，當脈沖寬度滿足這一關系式時，接收探頭的接收信號質量最好。
電路中元件作用：
1)電阻R1用來限制充電時高壓電源對電容C的充電電流，即起到限流作用，并減小發射單元工作時對電源的影響，從這點考慮，要求電阻R1阻值越大越好。另一方面，電路的重復頻率f較高，為了使電容C在觸發前能充滿電，就必須滿足CR1<1/5f。所以要選擇合適的電阻R1的阻值。
2)電阻R2有2個作用：一是調節放電時間和發射功率，二是作為阻尼電阻，調節超聲脈沖寬度。R2的阻值越小，發射功率越小，發射脈沖越窄;R2阻值越大，發射功率越大，發射脈沖越寬。
3)快速恢復型二極管Vd1、Vd2濾去充電脈沖，使A點只有放電時的負電壓激勵脈沖。
3 基于ARM的PWM脈沖的產生
ARM嵌入式處理器是具有極低功耗、極低成本的高性能處理器，運算速度快、精度高，而且便于實時操作系統的移植，真正成為實時多任務系統。 S3C2440A內嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時器，占空比、頻率、極性可編程，且具有自動重載和雙緩沖功能。主頻FCLK最高達400M- Hz，APB總線設備使用的PCLK最高達68 MHz。具體過程為：首先，開啟自動重載功能，對PWM脈沖的各個參數通過PWM寄存器進行設置，如定時器配置寄存器(TCFGn)，定時器控制寄存器 (TCON)，定時器計數緩存寄存器(TCNTBn)，定時器比較緩存寄存器(TCMPBn)，定時器計數觀察計數器(TCNTOn)等的設置。其次，設置相應定時器的手動更新位，然后設置開始位，在等待時間后定時器開始倒計數，當TCNTn和TCMPn的值相同時，TOUTn的邏輯電平由低變為高。當 TCNTn為0，TCNTn用TCNTBn的值自動重載。如果要重新設置TCNTn的初始值，則要執行手動更新。
通過使用TCMPBn來執行PWM功能，PWM的頻率由TCNTBn來決定。雙緩沖功能允許對下個PWM周期在當前PWM周期任意時間點由ISR或其他程序改寫TCMPBn。
4 高壓電源及其控制
超聲波發射電路對激勵電壓脈沖要求較高，需要一定的幅值，而且脈沖寬度要求越小越好，且須有一定的發射功率，這決定了超聲波探傷的靈敏度，還關系到工件探傷的深度。如果要穿透較厚的工件，就需將較大的電功率轉換成聲功率。
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