楊 歡,苗長云,白 華

(天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387)

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超聲檢測多軸運動控制器及其上位機軟件設計

楊 歡,苗長云,白 華

(天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387)

為了實現(xiàn)對大型物體缺陷部位進行遠程自動超聲檢測的目的，文中提出了一種基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制器的設計方案；采用以ARM9為內(nèi)核的 S3C2440主控芯片設計了多軸運動控制器的硬件電路，并移植了Linux操作系統(tǒng)，在此基礎上運用C語言編寫了其軟件部分；利用LabVIEW軟件編寫了具有遠程通信功能的上位機控制界面；采用UDP通信協(xié)議實現(xiàn)了多軸運動控制器與上位機間的以太網(wǎng)通信，并進行了實驗。實驗結果表明該多軸運動控制器能夠實現(xiàn)對超聲探頭運動的遠程自動控制，提高檢測效率，具有重要的應用價值。

超聲檢測；多軸運動控制器；Linux系統(tǒng)；LabVIEW；以太網(wǎng)；遠程自動化

0 引言

超聲檢測方法因其檢測材質(zhì)種類多、定位準確、穿透能力強、對人體無危害和對環(huán)境沒有污染等優(yōu)點，得到人們的重視和廣泛應用[1]。以往的超聲檢測主要采用手動檢測方式，即依據(jù)專業(yè)的檢測人員憑借經(jīng)驗來移動檢測探頭對被測物體進行檢測，故此人為因素對檢測的精確程度影響很大，且此種方法檢測效率低、成本高、容易發(fā)生誤檢和漏檢，不適用于遠程自動檢測。當前超聲檢測技術正逐步向數(shù)字化、自動化以及智能化方向發(fā)展，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家現(xiàn)已研制出大型物體自動超聲檢測系統(tǒng)，但我國對大型物體自動超聲檢測技術的研究還很少[2]。

本文設計了一款基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制器，采用以ARM9為內(nèi)核的S3C2440主控芯片設計了多軸運動控制器的硬件電路，基于Linux操作系統(tǒng)平臺利用C語言編寫了以太網(wǎng)驅動程序以及運動控制軟件部分，利用LabVIEW軟件編寫了上位機軟件，采用UDP協(xié)議實現(xiàn)了多軸運動控制器與上位機的以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)了對超聲探頭運動的遠程自動控制，提高了超聲檢測效率，具有重要的應用價值。目前該項目已處于試驗的最后階段。

1 超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的設計方案

本文設計的基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)是在復雜的多軸運動控制技術之上結合了遠程通信技術，以此來實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。此系統(tǒng)主要由上位機、多軸運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、機械執(zhí)行裝置、限位開關和超聲探頭等組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)組成框圖

由上位機LabVIEW控制系統(tǒng)為多軸運動控制器發(fā)送運動指令，并由多軸運動控制器將運動信號拆分為步進信號和方向信號，再將這兩種電機控制信號發(fā)送給步進電機驅動器，步進電機驅動器將其轉化為角位移發(fā)送給步進電機，使步進電機轉動相應個步距角，以達到使步進電機按指令運動的目的。步進電機上安裝有機械執(zhí)行裝置，用以固定超聲探頭，機械執(zhí)行裝置上安有限位開關，以此控制電機的運動范圍，當電機運動到限位開關的位置時，限位開關發(fā)出限位信號到多軸運動控制器，運動控制器便停止發(fā)出使電機運動的脈沖信號。

在進行自動超聲檢測時，Z軸方向機械執(zhí)行機構上固定的超聲檢測探頭能夠在被檢測物體的表面按照上位機運動控制算法設計的運動軌跡進行連續(xù)檢測，并實時向PC機返回探頭的位置信息，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的超聲信號與探頭返回的位置信息建立起對應關系，最終通過上位機的圖像處理系統(tǒng)形成超聲檢測圖像，以此來實現(xiàn)物體的超聲檢測。

2 多軸運動控制器的方案設計

多軸運動控制器可以通過遠程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機的控制信號，向步進電機驅動器發(fā)送脈沖信號和方向信號以完成對電機的運動控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺，外圍配有DM9000A以太網(wǎng)通信芯片使硬件平臺具備遠程通信的功能。在Linux操作平臺上進行控制系統(tǒng)軟件功能設計，并采用UDP通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與運動控制器之間的遠程通信[3]。

2．1 多軸運動控制器硬件電路設計

本文采用ARM9處理器S3C2440設計了系統(tǒng)中運動控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網(wǎng)絡接口控制器設計了運動控制器的以太網(wǎng)接口。運動控制器硬件整體框圖如圖2所示。

圖2 多軸運動控制器硬件框圖

運動控制器選用ARM9處理器作為運動控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)運動控制器的插補等多軸運動控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)上位機LabVIEW與運動控制器之間的遠程通信，進而實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。為了解決步進電機驅動器與主控芯片信號匹配的問題，本文采用光耦器件設計了電壓轉換模塊，負責把主控芯片輸出的3．3 V電壓信號轉換至5 V電壓信號后輸入到步進電機驅動器中，同時負責把限位開關發(fā)出的24 V限位信號轉換至3．3 V輸入到主控芯片中。此外，外圍電路中還搭載了用于存儲數(shù)據(jù)的擴展存儲器、以及用于調(diào)試的JTAG接口電路和RS232串口電路。

2．2 多軸運動控制器軟件設計

本課題所用的限位開關為位置可調(diào)的限位開關，每個軸有2個限位開關，在每次超聲檢測前，把每個限位開關調(diào)節(jié)到被測工件的邊緣處，從而使探頭移動的范圍即為工件所在范圍。故此設計運動控制器的軟件時便可將限位開關做為邊界條件，以此來設計探頭的運動范圍。其運動控制流程：首先系統(tǒng)初始化，通過上微機控制界面人工控制探頭到被測工件的起點，然后X軸正向運動到X軸限位開關處，Y軸正向運動一個探頭直徑的長度，X軸再反向運動到X軸另一側的限位開關處，之后Y軸繼續(xù)正向運動一個探頭直徑的長度，如此往復運動直至探頭到達Y軸的限位開關處，檢測結束，探頭復位。運動控制軟件流程圖如圖3所示。

圖3 運動控制軟件流程圖

3 多軸運動控制系統(tǒng)上位機軟件設計

基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件是以LabVIEW開發(fā)平臺為基礎，使用圖形G語言進行編寫的，主要包括多軸運動控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。LabVIEW是一款上位機軟件，其主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等領域，具有良好的人機交互界面[4]。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數(shù)提供給用戶使用，用戶無需過多考慮網(wǎng)絡的底層實現(xiàn)，就可以直接調(diào)用UDP模塊中已經(jīng)發(fā)布的VI來完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細節(jié)，而采用較少的代碼就可以完成通信任務，以便快速的編寫出具有遠程通信功能的上位機控制軟件[5]。上位機LabVIEW軟件的遠程通信模塊、運動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)調(diào)配合，共同構成了超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件。

3．1 運動控制軟件設計

運動控制系統(tǒng)軟件部分主要由運動方式選擇、探頭位置坐標、運動控制等模塊組成，可完成對系統(tǒng)運動方式的選擇，運動參數(shù)、控制指令的設定以及探頭位置信息讀取等工作。運動方式選擇模塊可根據(jù)實際需要完成相對運動或是絕對運動兩種運動方式的選擇，并會依照選擇的既定運動模式將X、Y、Z三軸的相應運動位置坐標輸出在相應顯示欄中，以便進行進一步的參數(shù)核對以及設定；運動控制模塊可依照檢測規(guī)則實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運動過程的控制，包括：設定相對原點、運行、復位、以及退出等相關操作。相對原點設定可以將探頭任意當前位置設為新的原點，并以原點作為下一個運動的起始點，即為探頭位置坐標的相對零點，并將此刻相對原點的絕對位置坐標值在文本框中顯示出來。運動控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 運動控制系統(tǒng)軟件流程圖

3．2 以太網(wǎng)通信軟件設計

以太網(wǎng)通信模塊采用無連接的UDP通信協(xié)議，通過定義多軸運動控制器與上位機LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)下位機與上位機之間的遠程通信。具體設計如下：首先使用“UDP Open Connection”打開UDP鏈接，使用“UDP Write”節(jié)點向服務器端相應的端口發(fā)送命令信息，然后使用“UDP Read”節(jié)點讀取服務器端發(fā)送來的有效回波數(shù)據(jù)，用于后期處理，最后應用“UDP Close Connection”節(jié)點關閉連接[6]。以太網(wǎng)通信模塊的程序框圖如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)通信程序流程圖

4 實驗及結果

實驗平臺由步進電機及其驅動器、上位機控制軟件和自主研發(fā)的多軸運動控制器構成。在上位機的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運動方式，然后根據(jù)用戶的檢測需求設定運動速度和運動距離，點擊運行后探頭即按所設定運行。探頭運動過程中還可以選擇設定當前位置為原點，探頭即按照新的原點重新開始運動。同時，在探頭運動時會實時顯示探頭當前所在位置坐標。

模擬開關發(fā)送選通超聲探頭信號并發(fā)送脈沖信號激勵超聲探頭發(fā)射超聲波，F(xiàn)PGA控制A/D轉換電路對超聲回波信號進行轉換，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，存儲完成后向ARM發(fā)送信號，ARM接收到采集完成信號將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)向上位機發(fā)送。上位機的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。

圖6 LabVIEW人機交互界面

5 結束語

本文采用“上位機LabVIEW+多軸運動控制器”的設計方案，利用LabVIEW編寫基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)上位機軟件，實現(xiàn)了上位機對超聲檢測控制信號的處理以及超聲檢測遠程控制自動化。多軸運動控制器軟件部分是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)上完成的，硬件外圍電路搭載DM9000A以太網(wǎng)控制芯片并采用UDP通信協(xié)議建立了上位機與下位機的遠程通信。本系統(tǒng)實現(xiàn)了自動超聲檢測系統(tǒng)的遠程運動控制，避免了手動檢測中人為因素對檢測精確度的影響，提高了超聲檢測的效率、精度、連續(xù)性以及可靠性。不足之處在于沒有實現(xiàn)全自動化，部分運動控制功能仍需手動控制，在今后的研究中將繼續(xù)開發(fā)合適的解決方案，進一步優(yōu)化此運動控制系統(tǒng)。

[1] 祝建禮，徐志農(nóng)，楊辰龍．基于PMAC卡的超聲檢測運動控制系統(tǒng)．控制與檢測,2006,22(6):57-58．

[2] 王淑芳．基于虛擬儀器技術的多軸步進電機控制系統(tǒng)．微計算機信息,2006,10(22)：97-99．

[3] 常春國，徐運濤，戴振華．Linux與Windows間以太網(wǎng)通信的研究．網(wǎng)絡與通信,2008,28(1):55-57．

[4] 高瑞，苗長云，王中偉．基于LabVIEW的多軸運動控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)．天津工業(yè)大學學報,2008,18(27)：58-61．

[5] 韋宏利，史媛，溫軍會．基于PMAC與LabVIEW的多軸運動控制系統(tǒng)的開發(fā)．西安工業(yè)大學學報,2012,32(2):112-118．

[6] 王以民，苗長云，白華．大型鍛件多路超聲檢測系統(tǒng)的研制．天津工業(yè)大學學報,2014,33(2):48-52．

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《管道技術與設備》雜志

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Ultrasonic Testing Multi-Axis Motion Controller and Its PC Software Design

YANG Huan,MIAO Chang-yun,BAI Hua

( School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic,Tianjin 300387,China)

In order to achieve the purpose of remote automatic ultrasonic testing to the defective parts of the large objects,we designed a multi-axis motion controller for ultrasonic detection based on Ethernet．We adopt S3C2440 master control chip with the ARM9 kernel to design the multi-axis motion controller’s hardware circuit,transplanted Linux operating system and used C language to write its software．LabVIEW software was used to write the PC control interface with remote communication function,and UDP protocol was used to write the Ethernet communication software,which can communicate between the multi-axis motion controller and the PC．Then we conducted the related experiment to prove it．The experiment results show that this multi-axis motion controller can realize remote automatic control to ultrasonic probe and improve the detection efficiency and has high application value．

ultrasonic detection;multi-axis motion controller;Linux system;LabVIEW;Ethernet;remote automation

國家自然科學基金項目(51274150)

2014-09-11 收修改稿日期：2015-03-14

TB553

A

1002-1841(2015)07-0045-03

楊歡 (1989—)，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式。 E-mail：yanghuan0531@126．com 苗長云(1962—)，教授，博士生導師，主要研究方向為信息與通信工程。E-mail：miaochangyun@tjpu．edu．cn