物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)研究

畢 野

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)研究

畢 野

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

為了能夠在線無損檢測設(shè)備內(nèi)部缺陷與損傷，本文設(shè)計一種物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波經(jīng)過放大后驅(qū)動探頭；探頭采集被測試件的缺陷與損傷信號，將含有缺陷和損傷的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過調(diào)理電路后，在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至STM32f107內(nèi);在控制器控制下通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至PC機，然后PC機對信號進行分析與顯示。

物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；遠程數(shù)據(jù)；脈沖渦流檢測

0 引言

檢測技術(shù)正朝著無需破壞被檢件、快速檢測并建立有效的評價體系發(fā)展。脈沖渦流檢測原理是在漆包線中通入占空比可調(diào)的 PWM波，被測件中會感生出磁場，停止向線圈中輸入 PWM波時，線圈周圍會產(chǎn)生電磁場，該磁場由線圈中耦合的一次磁場和被測件中感應(yīng)的二次電磁場疊加而成，后者包含了被測件的缺陷與損傷信息，采取合適的方法對二次磁場進行測量、分析，即可得到被測構(gòu)件缺陷與損傷信息[1-2]。

1 脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)

本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)主要由控制管理、數(shù)據(jù)采集、無線通訊、存儲及各部分接口構(gòu)成。通過先進的通訊網(wǎng)絡(luò)將各部分連接在一起，通過上位機處理器對數(shù)據(jù)進行集中處理，從而實現(xiàn)對脈沖渦流檢測各項信息的智能化管理。

2 基于嵌入式的硬件平臺設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本系統(tǒng)中下位機負責采集數(shù)據(jù)、信號處理，然后通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰CPC端，PC端負責數(shù)據(jù)的分析、處理與顯示[3]。設(shè)計方案如圖 1所示，采用STM32芯片和u C/OS-II操作系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)的通過信號發(fā)生器產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM波，經(jīng)過功率放大器放大作用于激勵線圈；傳感器采集次生和原生磁場的合成磁場并轉(zhuǎn)換為電信號；電信號經(jīng)過調(diào)理電路在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)進行A/D轉(zhuǎn)換；GU906物聯(lián)網(wǎng)模塊把采集到的含有被測件的缺陷和損傷信息通過無線傳輸至PC端存儲分析顯示[5]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)Fig.1 Embedded pulse eddy current nondestructive testing system for internet of things

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括信號采集、前端微處理器和物聯(lián)網(wǎng)模塊。其中信號采集是由信號發(fā)生器、探頭、功率放大器、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成；前端微處理器是由控制芯片及相關(guān)電路構(gòu)成；物聯(lián)網(wǎng)模塊采用帶有無線透傳模式的GPRS芯片及其外圍電路構(gòu)成。

2.2.1 控制器電路硬件設(shè)計

圖2 控制器及其外圍電路Fig.2 Controller and its peripheral circuits

控制芯片采用 stm32f107芯片。如圖2所示，電源輸入12V經(jīng)過LM2596、AMS1117和MIC29302后分別輸出5V、3.3V和4.2V為系統(tǒng)各部分供電；FLASH存儲器通過SPI通訊方式與控制連接。該芯片的片選引腳、時鐘引腳、接收與發(fā)送引腳分別與控制器的PC6、PB13、PB14、PB15連接，PB13、PB14和 PB15引腳可以通過軟件設(shè)置端口復(fù)用功能，使其成為SPI通訊接口。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)模塊硬件電路設(shè)計

GPRS部分采用帶DTU功能的GU906芯片，如圖3所示，該模塊的7、8、9、10引腳分別連接SIM卡的電源、復(fù)位、時鐘和輸入輸出引腳。34、35引腳為4.2V供電引腳，31、32引腳是與SIM通訊的TXD、RXD引腳，GSM_ANT引腳為ipex接線端口，通過ipex轉(zhuǎn)sma線和GSM天線連接，增加信號強度。SIM卡槽插入電話卡即可利用流量傳輸數(shù)據(jù)。其中2PIN懸空，3PIN接地，1、4、5、6PIN分別為輸入/輸出、CLK、RST和VCC，與無線透傳模塊連接。

2.2.3 信號調(diào)理電路硬件設(shè)計

調(diào)理電路部分由放大和濾波電路構(gòu)成，如圖4所示，其中放大部分由三運放差分放大電路構(gòu)成，兩個 OPA335芯片構(gòu)成差分放大部分，再串聯(lián)一個UA741CD。濾波電路由兩個一階低通濾波電路和一個 UA741CD運算放大器串聯(lián)構(gòu)成。濾波部分中UA741CD在濾波的同時還可以將信號的有用頻率進行放大；濾波器中還設(shè)計了反饋網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定輸出電壓。該濾波器的的優(yōu)點是：體積小、重量輕、不需要磁屏蔽，其作用就是將信號進行濾波、放大、遠傳，與傳感器配合使用，能夠提高系統(tǒng)的適應(yīng)度和環(huán)境可靠性。

2.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換的硬件設(shè)計

本文要實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)，要求測量精度高、抗干擾能力強，因此選擇ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模塊數(shù)據(jù)采集精度為24位[6]。電源地與數(shù)字地采用分割地線繪圖，防止相互干擾[7]。如圖 5所示，本系統(tǒng)將芯片 AINCOM 引腳接地設(shè)置為 8路單端輸入，該模塊與控制之間通過SPI協(xié)議通訊。由于AIN0與AIN1、AIN2與AIN3、AIN4與AIN5、AIN6與AIN7之間在芯片內(nèi)部是有默認差分關(guān)系的，所以在她們之間通過并聯(lián)電容的方式去除干擾。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)模塊電路Fig.3 Internet of things module circuit

圖4 調(diào)理電路Fig.4 Conditioning circuit

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.5 a/d converter circuit

在上述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中使用的 2.5V參考電壓是ADR431通過5V電壓得到的。5V電壓通過0.1uF和10uF兩個電容并聯(lián)濾波后接到ADS431的2PIN上，4PIN接GND，6PIN通過10uF的電容后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的VREFP腳。ADR431的其他引腳懸空。

2.2.5 實物圖展示

圖 6、圖 7分別為數(shù)據(jù)采集、控制器以及物聯(lián)網(wǎng)模塊正面實物圖和背面實物圖。布板依據(jù)走線電流朝同一方向；電阻電容排列整齊美觀；同一層上電源線和信號線遠離；差分通訊信號走線一致，走線線路等長對稱等原則，使得電路板工作穩(wěn)定。

2.2.6 信號發(fā)生電路的硬件設(shè)計

信號發(fā)生部分是由 STC15L2K60S2單片機、MCP41010和串行數(shù)模芯片TLC5615及其外圍部分構(gòu)成。STCl5L2K60S2具有新一代增強型8051CPU[8]。TLC5615芯片輸出為電壓型，最大輸出電壓為基準電壓值的兩倍[9]。MCP41010是一種集成數(shù)字電位器，其中PA0，PB0為電位器的兩個終端。MCP41010工作電壓為 2.7至 5.5V[10]。如圖 8所示，利用STC15L2K60S2單片機通過SPI通信控制TLC5615來調(diào)節(jié)正弦波的頻率、相位，通過 IIC協(xié)議發(fā)送指令控制 MCP010，再經(jīng)過放大器 LM5615控制正弦波幅值[11]。圖9為信號發(fā)生器實物圖，由于三極管和變壓器功耗較大，所以選擇直插方式布板，板上多處安裝散熱片，使得電路板工作穩(wěn)定。

2.2.7 探頭的硬件設(shè)計

圖6 數(shù)據(jù)采集、控制器以及物聯(lián)網(wǎng)模塊正面實物圖Fig.6 Data acquisition, controller and the physical map of the internet of things module

圖7 數(shù)據(jù)采集、控制器以及物聯(lián)網(wǎng)模塊背面實物圖Fig.7 Data acquisition, controller and the back of the physical map of the internet of things module

圖8 信號發(fā)生器電路圖Fig.8 Signal generator circuit diagram

探頭是由漆包線、錳鋅鐵氧體磁芯、TMR傳感器電路構(gòu)成，如圖 10所示，TMR傳感器采用TMR2102芯片，特點和好處是采用隧道磁電阻技術(shù)、高靈敏度、大動態(tài)范圍、低功耗、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、低磁滯，在-150高斯到30高斯內(nèi)是線性的。該芯片6PIN為VCC腳，5V經(jīng)過兩個濾波電容后為該芯片供電，3、4PIN接GND，5PIN為輸出引腳，經(jīng)過1k電阻與滑動變阻器相連，調(diào)節(jié)滑動變阻器使得初始狀態(tài)輸出為零。

圖9 信號發(fā)生器實物圖Fig.9 Signal generator physical map

圖10 磁傳感器電路圖Fig.10 Magnetic sensor circuit diagram

脈沖渦流采集磁場方式可以分為線圈采集和磁敏傳感器采集。檢測部分選擇磁傳感器，不選擇線圈檢測方式，原因是線圈采集方式只對高頻磁場變化比較敏感。磁傳感器電路采用貼片式TMR磁傳感器芯片。磁敏電阻傳感器電路板緊貼錳鋅鐵氧體磁芯底部且平行于水平面放置。TMR傳感器電路包括電源輸入及穩(wěn)壓電路、TMR芯片和信號輸出端。兩個磁傳感器芯片分布在電路板的兩面，分別采集兩個軸向上的磁場信號[12-13]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計中，STC15L2K60S2單片機程序的開發(fā)包括脈沖寬度調(diào)制波形的產(chǎn)生，嵌入式STM32控制器程序的開發(fā)包括物聯(lián)網(wǎng)模塊和控制器各端口的初始化。PC端程序設(shè)計包括數(shù)據(jù)的接收、分析處理和顯示[14]。嵌入式部分其程序流程圖如圖11所示。

3.1 系統(tǒng)主要功能程序代碼

主函數(shù)程序如圖12所示。

系統(tǒng)各端口、資源及DMA初始化如圖13所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分程序如圖14所示。

物聯(lián)網(wǎng)部分程序如圖15所示。

波形發(fā)生部分程序如圖16所示。

圖11 下位機程序流程圖Fig.11 Lower computer program flow chart

圖12 系統(tǒng)主函數(shù)程序Fig.12 System master function program

圖13 系統(tǒng)各端口、資源及DMA初始化Fig.13 System ports, resources, and DMA initialization

圖14 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分程序Fig.14 a/d converter part program

圖15 物聯(lián)網(wǎng)部分程序Fig.5 parts of the internet of things procedure

圖16 波形發(fā)生器程序Fig.6 w aveform generator program

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以嵌入式為開發(fā)平臺、無線GPRS網(wǎng)關(guān)、TMR磁傳感器探頭為前端信息采集核心，構(gòu)建嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)硬件平臺；以無線路由及計算機接收為顯示終端，完成將缺陷與損傷信息通過局域網(wǎng)傳給服務(wù)器達到實時監(jiān)測的目的。該無線傳輸抗干擾能力強，設(shè)備可多點采集、處理速度快，能夠滿足大多數(shù)現(xiàn)場設(shè)備檢測需要。

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Research on Embedded Pulse Eddy Current Nnondestructive Testing System Based on Internet of Things

BI Ye
(Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650500, China)

In order to detect the internal defect and damage of the components of the equipment online, a kind of embedded pulse eddy current nondestructive testing system based on internet of things is designed. The system generates pulse width modulation wave through the signal generator. After amplify the wave driving probe. The probe collects the defect and damage signal, converting the magnetic signal into electrical signal, and after adjusting circuit, converts the electrical signal into digital signal in the analog-digital converter. Under the controller control, the signal through the internet of things transfer to PC, then analyze and display the signal in PC.

Internet of things; Embedded; Remote data; Pulsed eddy current testing

TP23

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.032

本文著錄格式：畢野. 物聯(lián)網(wǎng)嵌入式脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)研究[J]. 軟件，2017，38（11）：168-174

畢野(1993-)，男，碩士研究生，研究方向：脈沖渦流無損檢測。