基于ARM的PWM模块的超声波检测系统（2） 超声波, 处理器, 定时器, 嵌入式, 操作系统

yuyang911220

所研制的电路板可激发探头产生0.5～10 MHz的超声波，激励脉冲电压最高可达830 V，脉冲的上升时间小于50 ns。
　　3 基于ARM的PWM脉冲的产生
　　ARM嵌入式处理器是具有极低功耗、极低成本的高性能处理器，运算速度快、精度高，而且便于实时操作系统的移植，真正成为实时多任务系统。S3C2440A内嵌PWM脉冲模块含4通道16位定时器，占空比、频率、极性可编程，且具有自动重载和双缓冲功能。主频FCLK最高达400M-Hz，APB总线设备使用的PCLK最高达68 MHz。具体过程为：首先，开启自动重载功能，对PWM脉冲的各个参数通过PWM寄存器进行设置，如定时器配置寄存器(TCFGn)，定时器控制寄存器(TCON)，定时器计数缓存寄存器(TCNTBn)，定时器比较缓存寄存器(TCMPBn)，定时器计数观察计数器(TCNTOn)等的设置。其次，设置相应定时器的手动更新位，然后设置开始位，在等待时间后定时器开始倒计数，当TCNTn和TCMPn的值相同时，TOUTn的逻辑电平由低变为高。当TCNTn为0，TCNTn用TCNTBn的值自动重载。如果要重新设置TCNTn的初始值，则要执行手动更新。
　　通过使用TCMPBn来执行PWM功能，PWM的频率由TCNTBn来决定。双缓冲功能允许对下个PWM周期在当前PWM周期任意时间点由ISR或其他程序改写TCMPBn。
　　4 高压电源及其控制
　　超声波发射电路对激励电压脉冲要求较高，需要一定的幅值，而且脉冲宽度要求越小越好，且须有一定的发射功率，这决定了超声波探伤的灵敏度，还关系到工件探伤的深度。如果要穿透较厚的工件，就需将较大的电功率转换成声功率。发射功率为：


　　式中，uA0为电容放电时的瞬间电压，C为电容容量，t为放电时间，
为有效功率。

　　当放电时间常数确定后，放电时间和C即确定。所以加大发射电压是提高发射功率的主要途径，由放电电压公式可知，除电路中的各个电阻影响外，高压电源的电压是一个主要因素。但电压又不能太高，否则会使压电晶片加速老化。一般发射电压不超过1 800 V。
　　这里采用美国Ultravoh公司的高压电源模块。其中“V”系列的型号为1V12-P0.4电源模块，能完全满足该设计的需求，其输入电压为12 V，输出电压为0～1 000 V，控制电压为0～5 V，功率为0.4 W。低功耗、体积小、重量轻，并带有输出电压监测和自保护电路。高压电源控制电路如图3所示。


　　ARM微处理器输出的控制信号经D/A转换后可输出0～5 V的控制信号V2，相应的高压电源模块即可输出0～1 000 V的电压。
　　5 仿真及分析
　　为验证本设计是否能满足实验的需要，对电路进行软件仿真。因为t=5τ1，约为500μs时认为充电电容充满，所以把开关频率设置为1kH-z。仿真结果如图4和图5所示。


　　图4中，高压电源输出为725V，R1=10 kΩ，R2=100 Ω，C=0.01μF，得到的激励脉冲约为600 V，宽度为600 ns。此脉冲满足本设计中超声波频率为2.5 MHz时，探头对激励脉冲宽度的要求。
　　图5中，当高压电源输出最大为1 000 V，R1=10 kΩ，R2=100 Ω，C=0.01μF时，得到的激励脉冲约为830 V，宽度为600 ns。
　　由于带充电电阻器的高压直流电源效率不是很高，所以激励脉冲的电压也不能达到高压电源的电压。通过ARM微处理器发射不同频率和占空比的控制脉冲，可以控制发射电路发射宽度和重复频率可调的激励脉冲。
　　6 结论
　　通过对发射电路工作原理以及各个元件作用的分析，得出了各个元件对超声波所起的不同作用，以及ARM的PWM模块如何对激励脉冲宽度和重复频率进行调制。经验证。该电路发射的超声波功率、脉冲宽度和重复频率均可调。能满足多种检测需求。