馬曉琳，朱紅運(yùn)

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003）

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是基于鐵磁材料的磁機(jī)械效應(yīng)和磁彈性效應(yīng)原理，對(duì)應(yīng)力集中處形成漏磁場(chǎng)的特性進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)危險(xiǎn)部位作出可靠評(píng)價(jià)的一種無(wú)損檢測(cè)方法[1]。便攜式磁記憶檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)開發(fā)，結(jié)合設(shè)備的實(shí)際情況，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于磁記憶無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，研制智能化程度高、操作簡(jiǎn)單實(shí)用的便攜式磁記憶檢測(cè)儀，滿足野外條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求，確保設(shè)備安全運(yùn)行，避免惡性事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

結(jié)合便攜式磁記憶檢測(cè)儀的應(yīng)用背景和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際要求，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：1）實(shí)用性。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能齊全，應(yīng)包含磁記憶檢測(cè)儀所需的基本功能，運(yùn)行安全可靠，操作簡(jiǎn)單方便，界面友好，便于攜帶，符合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用要求；2）可擴(kuò)充性原則：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊獨(dú)立性強(qiáng)，模塊的增加、減少或修改對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響小，便于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)，使系統(tǒng)可以不斷完善。

便攜式磁記憶檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)采用核心板+功能底板的開發(fā)模式，構(gòu)建以S3C2440A微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用這種結(jié)構(gòu)可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于以后硬件平臺(tái)的升級(jí)和完善。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，處理器最小系統(tǒng)作為檢測(cè)儀的控制核心，單獨(dú)做成一塊核心板，主要包括能夠使處理器正常工作的基本電路；功能底板是在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配置了通信模塊、人機(jī)交互模塊和I/O擴(kuò)展模塊等。由檢測(cè)探頭捕獲的磁記憶信號(hào)經(jīng)放大濾波處理后直接送往S3C2440A自帶的ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，無(wú)需單獨(dú)增加A/D轉(zhuǎn)換模塊，簡(jiǎn)化了電路，符合嵌入式磁記憶檢測(cè)儀便攜性的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。

硬件電路的工作原理為：當(dāng)傳感器獲取磁記憶檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波處理后，使其符合A/D采樣電壓要求，再通過(guò)嵌入式平臺(tái)對(duì)磁記憶信號(hào)進(jìn)行分類處理，進(jìn)而完成對(duì)缺陷的識(shí)別。儀器提供了良好的人機(jī)交互，通過(guò)觸摸屏控制，可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作。同時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)外圍接口傳給上位機(jī)，為磁記憶檢測(cè)理論研究提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想，完成了便攜式磁記憶檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下面從便攜式磁記憶檢測(cè)儀檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)核心板的選擇、功能底板的電路設(shè)計(jì)以及硬件抗干擾設(shè)計(jì)4個(gè)方面闡述便攜式磁記憶檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

圖1 便攜式磁記憶檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of portable measuring system in MMT

2.1 磁記憶檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

磁記憶檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)應(yīng)力集中區(qū)形成的漏磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的，即磁記憶信號(hào)反應(yīng)的是由于應(yīng)力集中造成的自有漏磁場(chǎng)的變化。為了采集微弱的漏磁場(chǎng)信號(hào)，設(shè)計(jì)高性能的檢測(cè)探頭這對(duì)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程至關(guān)重要，直接影響檢測(cè)儀的精度和靈敏度[2]。本文設(shè)計(jì)選用Allegro公司的A1302線性霍爾傳感器對(duì)被檢對(duì)象磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

傳感器模塊具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作流程為：將傳感器安裝至鋁質(zhì)合金蓋上，屏蔽罩屏蔽外部磁場(chǎng)干擾，磁記憶信號(hào)經(jīng)過(guò)鋁質(zhì)合金蓋進(jìn)入傳感裝置，聚磁片對(duì)該磁場(chǎng)進(jìn)行聚磁，霍爾傳感器感應(yīng)聚磁后的磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)引線傳出作為探頭的輸出。

圖2 傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sensor module structure

傳感器的提離值對(duì)檢測(cè)的靈敏度至關(guān)重要，為減小提離效應(yīng)的影響，在檢測(cè)過(guò)程中，探頭需要保持貼近被檢工件表面。利用浮動(dòng)的壓簧裝置可實(shí)現(xiàn)這一要求，壓簧頂端被支架固定，底端壓住探頭貼近工件表面，當(dāng)?shù)装灞砻娌黄秸麜r(shí)，探頭被頂起，壓簧變形可承受其位移。同時(shí)，鋁質(zhì)合金蓋兩側(cè)設(shè)計(jì)成倒角，使探頭在移動(dòng)過(guò)程中平滑過(guò)渡，以免直接撞上工件表面上的突起而減少探頭使用壽命，同時(shí)也會(huì)影響傳感器接收信號(hào)。

2.2 硬件平臺(tái)核心板的選擇

構(gòu)建一個(gè)嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)，首先需要根據(jù)功能需求選擇一款合適的嵌入式微處理器，這是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。在選擇處理器時(shí)，主要考慮的因素有：處理性能、技術(shù)指標(biāo)、功耗、軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具等。本設(shè)計(jì)根據(jù)便攜式磁記憶檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)要求，選擇三星公司的S3C2440A微處理器作為檢測(cè)儀的控制核心，構(gòu)建了基于S3C2440A處理器的嵌入式平臺(tái)。S3C2440A嵌入式微處理器芯片使用ARM920T架構(gòu)，兼容16位的Thumb指令和32位的Arm指令，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，擁有32位數(shù)據(jù)總線，其在功耗及處理能力方面均處于業(yè)界領(lǐng)先地位?；谇度胧浇Y(jié)構(gòu)的磁記憶檢測(cè)儀需要同時(shí)執(zhí)行大量的任務(wù)，例如實(shí)時(shí)波形顯示，參數(shù)計(jì)算，數(shù)據(jù)分析保存等，對(duì)處理器的運(yùn)行速度和效率有著較高的要求，S3C2440A微處理器主頻可高達(dá)533 MHz，指令執(zhí)行速率可達(dá)1.1 MIPS/MHz，可以滿足磁記憶檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)要求。S3C2440A提供了外部存儲(chǔ)控制器，通過(guò)擴(kuò)展大容量的外部存儲(chǔ)，可以存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)和參數(shù)。S3C2440A支持LCD觸摸屏，使人機(jī)交互更為方便。

磁記憶檢測(cè)儀選用飛凌公司生產(chǎn)的FL2440核心板，其技術(shù)工藝成熟，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，標(biāo)稱工作頻率為400 MHz，采用DIMM144標(biāo)準(zhǔn)接口。FL2440核心板作為便攜式磁記憶檢測(cè)儀的運(yùn)算和控制中心，負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的采集和處理、缺陷識(shí)別、波形實(shí)時(shí)顯示等功能，其主要由S3C2440A嵌入式微處理器、時(shí)鐘電路和外部存儲(chǔ)器等組成。

2.3 功能底板電路設(shè)計(jì)

根據(jù)便攜式磁記憶檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)要求，在功能底板設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮基本的功能端口，還需考慮系統(tǒng)調(diào)試接口的設(shè)計(jì)，其主要包含以下具體電路模塊：USB接口、JTAG調(diào)試接口、RS232接口、LCD觸摸屏接口、SD卡接口、調(diào)理電路以及電源電路和復(fù)位電路。

1）USB接口電路 本設(shè)計(jì)USB接口電路主要有 3大功能：第一個(gè)功能是下載系統(tǒng)內(nèi)核，避免由于WindowsCE系統(tǒng)內(nèi)核較大，通過(guò)串口下載速度緩慢的問(wèn)題[3]；第二個(gè)功能是調(diào)試應(yīng)用程序，通過(guò)USB接口和ActiveSync工具建立PC機(jī)和WindowsCE系統(tǒng)之間的通訊連接，便于程序調(diào)試和更新；第三是可以外接多種USB設(shè)備進(jìn)行功能擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)有一個(gè)USB主設(shè)備接口和一個(gè)USB從設(shè)備接口。

2）RS232接口電路 檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，RS232接口主要用于系統(tǒng)調(diào)試，通過(guò)RS232接口使用三星公司提供的DNW調(diào)試軟件燒寫B(tài)ootLoader和系統(tǒng)內(nèi)核[4]。S3C2440A提供了3個(gè)串口，可工作在DMA模式或者中斷模式，支持5位、6位、7位或者8為數(shù)據(jù)傳輸，波特率可調(diào)，本設(shè)計(jì)采用波特率為115 200 bps的傳輸速度。

3）LCD觸摸屏接口電路 目前LCD顯示器主要有 STN和TFT兩種，其顯示原理基本相同，不同的是相對(duì)STN屏而言，TFT屏色彩更亮，功耗更低[4]，因此在本設(shè)計(jì)中選用臺(tái)灣群創(chuàng)公司生產(chǎn)的7英寸真彩TFT顯示屏AT070TN83。S3C2440A內(nèi)部集成了LCD控制器，LCD可以作為外設(shè)直接掛接到系統(tǒng)總線上。本設(shè)計(jì)采用四線電阻式觸摸屏，點(diǎn)數(shù)為800 480，主要的信號(hào)線有四根，分別是 XP、XM、YP、YM，在點(diǎn)擊觸摸屏的時(shí)，觸摸點(diǎn)會(huì)發(fā)生電壓變化，觸摸屏控制器控制ADC對(duì)該電壓進(jìn)行采樣，根據(jù)原先設(shè)定的參考坐標(biāo)計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)，然后再跳轉(zhuǎn)到相對(duì)應(yīng)的中斷去執(zhí)行子程序。觸摸屏控制信號(hào)連接匹配電阻可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，其中TSXP和TSXM用于連接四線電阻式觸摸屏X組引腳，TSYP和TSYM用于連接Y組引腳。

4）信號(hào)調(diào)理電路 當(dāng)工件被飽和磁化后，使用A1302霍爾傳感器捕獲該漏磁場(chǎng)，其輸出電壓只有幾十毫伏。為了與S3C2440A內(nèi)部集成的ADC的輸入電壓范圍（0～3.3 V）匹配，需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器輸出的電壓信號(hào)放大到ADC所能接收的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖3所示，選用儀用放大器INA128構(gòu)成差分放大電路，放大器IN+輸入端接傳感器輸出信號(hào)SENSOR_OUT，輸出端接嵌入式平臺(tái)的ADC接口，放大器的輸出可通過(guò)如下公式計(jì)算得到。

為了方便調(diào)節(jié)放大器的增益，本設(shè)計(jì)采用程序控制的方法，即通過(guò)軟件控制得到合適的增益。設(shè)計(jì)中選用X9C103數(shù)字電位器作為放大器的反饋電阻，通過(guò)改變數(shù)字電位器的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。電路中的電位器R5用來(lái)調(diào)整放大器的參考電壓REF，保證放大器輸出電壓在0～3.3 V范圍內(nèi)。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Circuit of signal adjusting

2.4 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

為了提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮儀器的抗干擾性[6]，而且需要將抗干擾設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。本文設(shè)計(jì)的S3C2440A嵌入式平臺(tái)主頻高達(dá)400 MHz，總線上的速率也達(dá)到100 MHz，屬于高速數(shù)字電路，在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中必須遵循高頻電路設(shè)計(jì)的基本原則，如：根據(jù)硬件功能進(jìn)行模塊化布局；合理配置去藕電容；合理設(shè)計(jì)地線；提高敏感元件抗噪性能等。設(shè)計(jì)完成后的LCD顯示界面如圖4所示。

圖4 便攜式磁記憶檢測(cè)儀顯示檢測(cè)信號(hào)Fig.4 Display of detection signal in portable magnetic memory detector

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合磁記憶檢測(cè)的應(yīng)用背景和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際要求，遵循可行性、實(shí)用性和可擴(kuò)充性原則，設(shè)計(jì)了基于嵌入式結(jié)構(gòu)的便攜式磁記憶檢測(cè)儀，具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有利于儀器的小型化、集成化，從根本上克服了基于PC系統(tǒng)檢測(cè)儀體積大、功耗高的缺點(diǎn)。

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