超小型超聲檢測系統(tǒng)低功耗技術

丁國琴，徐大專，王 博

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京 210016）

超聲檢測是工業(yè)中應用非常廣泛的無損檢測技術，隨著科學的發(fā)展和微電子技術的不斷創(chuàng)新，嵌入式無損檢測系統(tǒng)的設計越來越得到系統(tǒng)設計人員的關注。嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，計算機為輔助，系統(tǒng)設計人員根據自身的需要進行裁剪，以滿足其功能、成本、功耗等方面的要求［1］。

在無損檢測系統(tǒng)的設計中，低功耗一直是小型便攜設備的系統(tǒng)設計人員必須考慮的問題，超小型超聲檢測設備是一款體積小、重量輕、功能性強、操作簡便、便于攜帶及現場操作的無損檢測設備，由于其體積小使得其電池容量小的特點導致設備待機時間大大減少。筆者從硬件和軟件兩個方面出發(fā)為超小型超聲檢測設備給出了降低系統(tǒng)功耗的系統(tǒng)設計方案。在硬件方面，提出了一種超聲波收發(fā)電路與模擬放大器的變壓器耦合和AD 分時采樣的方法，在軟件方面，充分利用ARM 的時鐘功率管理功能實現了系統(tǒng)的睡眠與喚醒。

1 系統(tǒng)總體設計框架

系統(tǒng)是一套基于嵌入式平臺的無損檢測系統(tǒng)，為超小型超聲檢測設備低功耗的實現提供了參考。系統(tǒng)在設計時采用了層次化、模塊化的思想，分為硬件層、內核系統(tǒng)層、應用軟件層，其基本框圖如圖1所示。

圖1 超聲檢測系統(tǒng)設計框圖

基本工作模式為：系統(tǒng)通過收發(fā)探頭發(fā)送脈沖波至被測材料中，來自被測材料的反射波信號被探頭接收后送入模擬信號處理模塊進行放大、濾波等處理，然后送給AD采樣模塊，AD將采樣后的高速數據流傳送給FPGA，使其轉換為低速的數據流并存放在高速存儲器中，最后由ARM 模塊將此回波信號的數據流讀出，利用應用軟件將回波信號在顯示屏上顯示，同時根據回波信號的情況做相關的處理。

作為超小型超聲檢測設備，功耗太大不僅縮短了電池壽命，不利于長時間的探傷工作，而且會降低系統(tǒng)的整體性能，包括散熱處理、系統(tǒng)穩(wěn)定性等。現有的超聲檢測系統(tǒng)各模塊的功耗如表1所示。

表1 超聲檢測系統(tǒng)各模塊功耗及所占比例

從表1可以看出，現有的超聲檢測系統(tǒng)中功耗比較大的是模擬信號處理模塊和ARM＋LCD 處理模塊。模擬信號處理模塊主要完成超聲探頭的觸發(fā)和回波信號的處理，即可控增益放大／衰減、寬帶濾波等，模擬信號處理模塊中超聲波收發(fā)電路與模擬放大器之間的耦合方式影響了系統(tǒng)的功耗，ARM＋LCD 處理模塊主要完成與FPAG 的通信，配置系統(tǒng)參數，處理數據及波形顯示等功能，ARM＋LCD的長時間工作縮短了電池的使用時間，進而影響了系統(tǒng)的功耗。

半導體工藝的進步及集成電路的發(fā)展，使得數字處理芯片向著小型化、低功耗的方向發(fā)展。筆者設計的超小型超聲無損檢測系統(tǒng)，對低功耗有著嚴格的要求，重點從模擬信號處理模塊設計與系統(tǒng)睡眠技術兩方面討論了降低系統(tǒng)功耗的實現方法。

2 模擬信號處理模塊設計

模擬信號處理模塊是無損檢測系統(tǒng)的重要組成部分，它由超聲波收發(fā)電路、模擬放大器、濾波電路組成，收發(fā)電路將回波信號送入模擬放大器處理后經濾波等處理工作傳送給AD 進行采樣。在傳統(tǒng)的電路設計中收發(fā)電路與放大器常選用直接耦合的方式，采用直接耦合雖然效率高但信號不失真，而這種做法使得前后兩級工作點牽連較大，調整比較復雜，同時模擬放大器也必須采用雙電源供電才能保證放大器的輸入電平與收發(fā)電路一致，以致影響了整個系統(tǒng)的功耗。變壓器耦合方式雖然會損失一些信號的高頻成分，但它可以在把直流方面的前一級和后一級分開的同時使交流信號順利傳遞到下一級，并且由于變壓器耦合同時具有隔直通交和阻抗變換的特性使得其電路的形式豐富多樣，不僅能夠滿足電路的設計要求，還能提高系統(tǒng)的性能。正是基于這種思想提出了一種耦合變壓器的電路設計方法來降低系統(tǒng)的功耗。

2.1 變壓器耦合原理

變壓器耦合電路如圖2所示。耦合電路通常是完成級間信號的耦合并對信號進行一些處理，常見的耦合電路情況主要有：（1）將兩級放大器之間的直流電路隔離。（2）獲得兩個電壓相等相位相反的信號。（3）對信號電壓進行提升或衰減。（4）對前級和后級放大器之間進行阻抗匹配。

圖2 變壓器耦合電路

變壓器耦合是耦合電路的其中一種耦合方式，它是采用變壓器作為耦合元件，由于變壓器同時具有隔直通交和阻抗變換的特性，使得變壓器耦合電路的形式豐富多彩，針對該設計系統(tǒng)，由于需要信號在經過耦合電路后能產生兩路電壓相等相位相反的信號，因此在電路設計中采用變壓器耦合電路。

從圖2可以看出，耦合變壓器T1 的二次繞組有一個中心抽頭通過電容C3 交流接地，VT2 和VT3為NPN 型三極管，其交流信號的波形如圖中所示，從圖中可以看出，當L2繞組上端信號為正半周期時，L2繞組下端信號為負半周期，當L2繞組上端信號為負半周期時，L2 繞組下端信號為正半周期，這樣使得繞組L2 的上下兩端信號的電壓相等相位相反，即L2 的上端與抽頭之間的繞組輸出一個信號到VT2的基極，L2的下端與抽頭之間的繞組輸出一個信號到VT3的基極。

2.2 收發(fā)電路耦合變壓器實現

針對超小型超聲無損檢測系統(tǒng)，為了滿足系統(tǒng)的低功耗需求，首先在芯片上選用了ADI公司的AD8331放大器，它是一款單通道、低噪聲、寬頻帶的可控增益運算放大器，工作電壓為＋5V，單電源供電，其次利用耦合變壓器電路的特性獲得兩個電壓相等相位相反的信號，收發(fā)電路與放大器的電路如圖3所示。

圖3 超聲波收發(fā)電路與放大器電路圖

從圖3可以看出，T1為電路中添加的變壓器，AD8331為模擬放大器。在此電路中，抽頭與二次繞組的上下端產生的信號電壓即差分信號直接與放大器的VIP和VIN 端相連，差分信號經過放大器后繼續(xù)輸出兩路差分信號連接到下級放大器的輸入端。

該電路設計將變壓器與耦合電路相結合，利用變壓器實現了收發(fā)電路與放大器的隔離，提高了系統(tǒng)的抗噪聲性能，利用耦合電路獲得兩路電壓相等相位相反的差分信號，同時由于變壓器兩端直流電壓可以不相等的性質，使得放大器可以采用低功耗、低成本的單電源放大器，從而降低了系統(tǒng)功耗。另外，在電路設計中，將耦合變壓器的中心抽頭與放大器的共模信號端相連可以防止放大器無法產生共模輸出時輸出共模信號，使電路正常運行。

2.3 AD 分時采樣實現

AD 采樣速度和采樣精度對無損檢測設備性能有著至關重要的影響。在設計的無損檢測系統(tǒng)中，選用了高速AD 采樣芯片MAX1448，可以很好地實現對缺陷回波的實時采樣，保證回波峰值不漏檢。MAX1448采用單電源3V 供電，最大采樣頻率為80MHz，采樣精度為10 位，－3dB 輸入帶寬為400MHz，內部集成了2.048V 參考電壓，正常工作模式時電流消耗為40mA，掉電模式時電流消耗僅為5μA，因此整體功耗為120mW。由于無損檢測設備在檢測過程中需要對采樣數據進行壓縮以實現對波形聲程方向上的壓縮和展寬，因此針對該無損檢測系統(tǒng)，重復頻率為50Hz，即每隔20ms便有一幀探傷數據，壓縮算法采用非均勻壓縮算法以實現對采樣數據進行小數倍的壓縮以得到620個探傷波形數據，系統(tǒng)壓縮比最大值設為500，采樣頻率為40 MHz，因此AD 實際最大采樣7.75ms便可完成數據采集，即在20ms內AD 最多工作7.75ms就可完成對有效數據的采集。基于這個原理和分時工作的思想，在該系統(tǒng)設計過程中，當ADC有效數據采樣結束時，通過FPGA 輸出低電平到MAX1448 的PD引腳，使ADC 處于掉電模式，從而大幅度減少ADC電路的功耗，降低了整個系統(tǒng)的功耗。

所謂的朋輩心理輔導，是區(qū)別于專業(yè)心理輔導而言的，又可以稱為非專業(yè)心理輔導。具體是指非專業(yè)人員在經過心理輔導知識的學習和培訓后，能夠為學生、朋友等進行隨時的心理引導，解答他們的心理疑問，幫助他們進行心理壓力疏導，使同學、親友等能夠得到專業(yè)的心理知識排解，使身心得到健康向上的引導，心理疑惑得到及時排解，并對可能產生的心理問題進行主觀干預，使其得到專業(yè)性的輔導，從而保證心理健康成長，將日常生活中的心理問題進行快速高效解決，避免心理問題的積壓和心理疾病的產生。與專業(yè)心理輔導相比，具有自發(fā)性、親友性和簡便有效性，雖不及心理輔導的專業(yè)性，卻會產生專業(yè)所不及的效果。

3 ARM 處理模塊的睡眠與喚醒技術

在系統(tǒng)設計中，ARM 處理器芯片選用了三星公司的2410系列，內核選用了Linux操作系統(tǒng)，版本為2.6.24，文件系統(tǒng)選用cramfs＋yaffs結構，圖形用戶界面選用了Qt／Embedded 作為系統(tǒng)圖形庫，利用鍵盤輸入進行工作參數設置及狀態(tài)查詢。

S3C2410芯片是三星公司的一款高性能，低功耗的處理器芯片，已經成功移植了很多嵌入式Linux系統(tǒng)，其本身提供四種工作模式：正常模式、空閑模式、慢速模式、掉電模式，各工作模式下的功耗如表2所示。

3.1 系統(tǒng)睡眠與喚醒工作流程

從表2可以看出，正常模式的功耗最大，掉電模式的功耗最小。在系統(tǒng)設計中，充分利用了S3C2410工作模式之間的相互轉換和Linux的電源管理功能，實現了系統(tǒng)的睡眠與喚醒［2－3］。

表2 S3C2410芯片各種工作模式下的功耗與頻率

系統(tǒng)睡眠與喚醒的工作流程是：系統(tǒng)上電后開始進行正常探傷工作，在探傷過程中通過鍵盤輸入進行參數設置，當每次按鍵后開啟一個定時器，若在定時器規(guī)定的時間內一直有按鍵輸入，系統(tǒng)會處于正常探傷的狀態(tài)，當定時器溢出時，系統(tǒng)在保存LCD 設置、關閉AD采樣等相關設置后便會進入掉電模式，直到有中斷將其喚醒，否則將一直處于掉電模式。

3.2 系統(tǒng)掉電與喚醒設置

系統(tǒng)在進入掉電模式前需要先做些準備以保證在喚醒時系統(tǒng)能迅速回到正常工作狀態(tài)，這些工作主要包括：設置合理的GPIO、配置合理的喚醒源、掛起USB、將掉電期間不希望丟失的信息保存在GSTATUS3和GSTATUS4中、關閉LCD 控制器、設置REFRESH 寄存器使SDRAM 進入自刷新模式、設置CLKCON 進入掉電模式。在喚醒時的工作主要包括：通過喚醒源產生內部復位信號喚醒系統(tǒng)，系統(tǒng)在喚醒時讀取GSTATUS2的值以判斷是否是從掉電模式喚醒，若確認為掉電模式喚醒后便會繼續(xù)喚醒的恢復操作，如配置SDRAM 控制器等，一直到SDRAM 自刷新完成，讀取GSTATUS3和GSTAUS4的值使系統(tǒng)恢復到睡眠前的狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)掉電與喚醒實現

該設計充分利用S3C2410處理器工作模式的轉換和Linux電源管理的功能，實現了系統(tǒng)的睡眠與喚醒。其關鍵設計部分主要包括：GPIO 配置、LCD 顯示與喚醒配置、ADC電池驅動和應用程序的設計。

LCD 顯示與喚醒配置：系統(tǒng)在進入掉電模式前會關閉LCD 從而降低功耗。LCD 在進入掉電模式前會切換控制臺并清空framebuffer的數據，而系統(tǒng)在喚醒后則會重新初始化LCD 控制器，因此為了使系統(tǒng)在喚醒后能繼續(xù)顯示掉電前的界面，應該在系統(tǒng)進入掉電模式前應該保存當前對LCD 的設置，在喚醒后重新恢復設置，從而是系統(tǒng)快速恢復到掉電前的界面顯示。針對該系統(tǒng)主要涉及的函數如下：①pm＿prepare＿console（）切 換LCD 控制臺。②s3c2410fb＿suspend（）掛 起 LCD 控制器。③s3c2410fb＿resume（）喚醒LCD 控制器。

基于這些函數接口可以完成對LCD 的設置，在設計的系統(tǒng)中，主要是通過這些函數接口實現睡眠前狀態(tài)的保存，喚醒后參數的恢復等工作，使系統(tǒng)在喚醒后能快速顯示睡眠前的界面。

ADC電池驅動：S3C2410芯片內部集成了一個8路10位的A／D 轉換器，具有采樣保持和低能源消耗功能，利用該A／D 轉換器可以將模擬量轉換為數字量，從而方便數據的分析［4－5］。在系統(tǒng)設計中，主要利用ADC完成對電池電壓值的采樣并轉換為百分比，實現了系統(tǒng)電量的實時讀取，使用戶可以時刻掌握設備用電量狀況。當系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)時，CPU 是停止工作的，此時系統(tǒng)無法獲取設備的電量，即掉電模式下驅動也是停止工作的，當喚醒系統(tǒng)后系統(tǒng)會立刻去讀取設備的電量以保證能電量的實時顯示。ADC 控制器在工作前是需要初始化的，如選擇模擬輸入通道，設置預分頻系數，設置工作模式等，然后ADC 才能正常工作。對于本次的ADC驅動，相關的初始化工作為設置預分頻值13，選擇輸入通道0，主要涉及的函數如下：①adc＿register＿prescaleset（）設置預分頻系數。②adc＿register＿adcchanelset（）設置模擬輸入通道。③adc＿register＿adcconvstart（）設置工作模式。這些函數Linux內核是沒有提供的，需要設計者根據硬件電路的情況具體實現，利用這些函數接口便可完成ADC控制器的初始化工作［6］。需要注意的是為了使系統(tǒng)在喚醒后能正常工作，必須將這些函數放在ADC的讀函數中，以保證系統(tǒng)喚醒后ADC 正常工作，從而使系統(tǒng)正常工作。

應用程序設計：系統(tǒng)的應用程序是基于Qt／Embedded開發(fā)的，其提供的鍵盤事件可以很方便的進行探傷工作的參數設置及狀態(tài)查詢的，因此通過對按鍵信息的捕捉和Qt定時器功能可以很容易的判斷系統(tǒng)進入掉電模式的時間［7－8］。針對該系統(tǒng)，應用程序的設計如下：首先設定一個按鍵狀態(tài)的標志ev＿press，通過QKeyEvent事件來獲取按鍵的狀態(tài)，每次按鍵后將ev＿press的值賦為1，同時開啟定時器開始計時，時間為30 min，如果在30 min內沒有任何按鍵操作系統(tǒng)就會默認設備沒有進行探傷操作。當定時器的時間到達后，會再次開啟一個10s的定時器以提醒用戶系統(tǒng)即將進入掉電模式，若用戶此時不想讓設備進入掉電模式可以按返回鍵取消，否則10s后系統(tǒng)便會關閉AD 采樣進入掉電狀態(tài)。當系統(tǒng)進入掉電模式后，如果想恢復到正常的工作狀態(tài)，只需要按鍵盤上的任意一個鍵即可喚醒系統(tǒng)和繼續(xù)AD 的采樣工作。在該應用程序設計中主要是利用QT 的事件系統(tǒng)鍵盤事件和定時器事件的相互合作來完成系統(tǒng)進入掉電模式的判定，通過鍵盤事件捕捉鍵盤信息確定是否有探傷操作，通過定時器事件確定系統(tǒng)進入睡眠模式的時間，同時利用系統(tǒng)控制函數接口發(fā)送關閉AD 采樣的命令，從而使系統(tǒng)睡眠模式時的功耗能最低。

4 系統(tǒng)測試

如圖4所示是本次測試時所使用的超聲檢測設備，其尺寸為210mm×153mm×30mm，整機的重量不超過0.6kg，基本實現了無損檢測的基本功能。利用變壓器耦合電路、AD 分時采樣技術和ARM 的休眠技術，可大幅度降低系統(tǒng)功耗，提高設備的續(xù)航能力，延長連續(xù)工作時間。下面以該設備為例給出測試結果。

圖4 低功耗超聲波檢測設備

4.1 模擬信號處理模塊測試

在設計的超聲檢測系統(tǒng)中，模擬放大器采用的是ADI公司的可變增益放大器AD8331，單電源供電，為了滿足探傷標準，超聲波探傷儀的模擬前端用了3級AD8331級聯，測試結果如表3所示。超聲波收發(fā)電路若采用間接耦合方式即變壓器耦合電路，在供電電壓為＋5V，供電電流為0.05A 的情況下，總功耗為0.75 W，若采用直接耦合電路，放大器需采用雙電源供電的AD603芯片，并且供電電壓為±5V，此時的總功耗為1.5 W，可以看出功耗降低了一半。

表3 收發(fā)電路功耗對比表 W

4.2 ARM 睡眠與喚醒測試

為了能快速驗證系統(tǒng)睡眠與喚醒的功耗，在測試時將定時器的時間設為30s，中斷0設為系統(tǒng)喚醒源，利用minicom 工具追蹤系統(tǒng)工作和睡眠時的狀態(tài)，通過直流穩(wěn)壓電源可以查看到系統(tǒng)的供電電壓是常量，電壓為14.4V，系統(tǒng)正常運行時的電流為0.3 A，當設備掉電模式時流過系統(tǒng)的電流是0.15A，可以得到在掉電期間電流下降了0.15A，即在掉電模式的時候系統(tǒng)的總功耗降低了2.16 W。

5 結論

筆者介紹了一款超小型超聲檢測系統(tǒng)低功耗的實現方案，著重從硬件和軟件兩個層面討論了其中關鍵技術的實現方法。在硬件方面討論了超聲波收發(fā)電路的設計和AD 分時采樣的實現，在軟件方面討論了ARM 工作模式的轉換，實現了系統(tǒng)的睡眠與喚醒。該方案充分利用了耦合電路和變壓器相結合的方法實現了收發(fā)電路與放大器的隔離，利用分時工作的思想實現了AD 采樣的間斷工作，利用Linux操作系統(tǒng)電源管理和ARM 時鐘功率管理的功能，減少設備工作時間從而降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的效率，延長設備的使用時間，為超小型超聲檢測系統(tǒng)超長待機提供了可能。

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