基于單片機與CPLD的礦山巷道兩幫變形檢測研究

（阜新高等專科學校，遼寧 阜新 123000）

深部開采是采礦業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。伴隨著深部礦業(yè)的發(fā)展，收獲資源的同時，也有很多問題相伴產(chǎn)生，比如礦山頂板事故等，對我們的生活帶來慘烈的代價。能檢測礦山巷道兩幫破壞的信號，進而采取措施，對于預測和防治礦山安全事故，防止災害的發(fā)生有重要意義[1,2]。

礦山巷道兩幫破壞信號的檢測，目前主要有兩種方法，分別為電磁輻射法、電荷輻射法。其中，電磁輻射法由于電磁信號易受到的干擾比較大，且噪聲難以消除，故未能大規(guī)模應用于現(xiàn)場。電荷輻射法又因在巖石受力變形破裂過程中產(chǎn)生的電荷量非常小，很難被檢測到。相較而言，聲發(fā)射法對于檢測礦山巷道兩幫更主動一些，尤其以頻率超過20kHz具有方向性集中、振幅小、穿透力強等特點的超聲波為優(yōu)[3]。通過超聲波縱波波速在巖石受力中的變化為依據(jù)，判斷巖石受力內(nèi)部的破壞情況，超聲波檢測以其精度、效率和分辨率高、快速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀等優(yōu)點得以很高的實現(xiàn)可行性[4]。

1 超聲波探傷儀的實現(xiàn)

超聲檢測控制系統(tǒng)要求軟硬件具備現(xiàn)場可編程、體積小、重量輕、低功耗、高可靠性等優(yōu)點。單片機和CPLD都具有現(xiàn)場自動化控制編程功能，將兩者結(jié)合，提出“單片機+CPLD體系結(jié)構(gòu)”則能夠有效地克服單純以單片機為控制核心和單純以CPLD為控制核心的系統(tǒng)的缺點，切合了系統(tǒng)設計的性能需求，把二者的長處最大限度地發(fā)揮出來，故提出了基于“單片機+CPLD體系結(jié)構(gòu)”來架構(gòu)該控制系統(tǒng)的解決方案。

超聲波探傷的過程就是超聲信號的發(fā)射、接收、采集、處理、顯示的過程。本系統(tǒng)A型脈沖反射式超聲波探傷儀從功能上有兩大塊，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集是回收超聲發(fā)射信息和回波信息，數(shù)據(jù)分析是通過回波信息分析判斷缺陷的定位和定量。

超聲波在礦山巷道中傳播時，發(fā)射信號與回收信號必定不同。分析巖石內(nèi)部遇到裂紋、氣孔等缺陷時的回波信號；分析超聲波在不同介質(zhì)中傳播的衰減特征，根據(jù)分析數(shù)據(jù)來檢測被測物內(nèi)部的缺陷情況，以實現(xiàn)缺陷的判斷、定位和定量，并將處理后的數(shù)據(jù)送液晶顯示模塊以實現(xiàn)人機交互功能。

1.1 系統(tǒng)組成

A型脈沖反射式超聲波探傷儀的硬件組成主要有五大功能模塊的邏輯電路和單片機外圍接口電路，(如圖1所示),圖中單箭頭表示控制信號，雙箭頭表示數(shù)據(jù)信號。硬件五大模塊中，單片機和可編程邏輯器件是主控模塊，是整個系統(tǒng)的核心部分。主要完成系統(tǒng)的總體控制和各功能模塊之間的協(xié)調(diào)運行，比如檢測過程中超聲信號的發(fā)射；數(shù)據(jù)存儲器RAM主要存儲將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的回收信號。MCU主控模塊讀寫于數(shù)據(jù)存儲器RAM，并對數(shù)據(jù)進行運算處理。A/D轉(zhuǎn)換模塊是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，超聲發(fā)射信號和回收信號都是模擬信號，在數(shù)據(jù)存儲器中需要以數(shù)字信號的形式存儲，故A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能即匹配的數(shù)據(jù)緩沖器速度的模數(shù)信號轉(zhuǎn)換。

人機對話模塊主要將超聲波信號以更加直觀的形式體現(xiàn)出來，包括對檢測參數(shù)的設定和檢測結(jié)果的智能化調(diào)整。通訊接口模塊主要完成與計算機之間的數(shù)據(jù)通訊和控制信號通訊，包括MCU與上位計算機之間的串口通訊，CPLD與上位計算機之間的JTAG接口通訊。

圖1 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)主要兩個部分，界面設計和參數(shù)設置。界面設計大方得體就可以，主要技術在參數(shù)設置上。A型脈沖反射式超聲波探傷儀的參數(shù)包括觸發(fā)脈沖寬度、采樣點數(shù)、靜態(tài)屏、動態(tài)屏、缺陷定位，所有參數(shù)都可以按鍵可調(diào)整。

通過調(diào)整觸發(fā)脈沖寬度控制系統(tǒng)檢測分辨率。采樣點數(shù)根據(jù)檢測工件的厚度差異很大，有幾個點、也有數(shù)百個點，根據(jù)被檢測工件的薄厚選擇采樣點數(shù)的處理。靜態(tài)/動態(tài)屏幕的顯示主要是方便檢測人員對處理數(shù)據(jù)的回放，及連續(xù)顯示處理后的回波信號。缺陷定位是整個系統(tǒng)中最為關鍵的一個模塊，它以定量的形式給出缺陷或者被測工件厚度的描述。

1.2 系統(tǒng)仿真應用

在超聲探傷檢測過程中，數(shù)據(jù)采集和信號分析工作是至關重要的。通過數(shù)據(jù)的高速采集和大數(shù)據(jù)量緩沖，對檢測結(jié)果的波形記錄并保存，因此能否實現(xiàn)超聲波檢測分析和成像處理技術尤為關鍵。

本系統(tǒng)顯示屏幕界面由兩個部分構(gòu)成。左半部分的波形顯示區(qū)域用于繪制超聲回波采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示的波形來對缺陷進行判斷，顯示精度200＊128像素。右半部分顯示必要的信息數(shù)據(jù)，包括觸發(fā)脈沖寬度、采樣點數(shù)、缺陷位置等信息，顯示精度40＊128像素大小的屏幕。單片機MCU+CPLD體系結(jié)構(gòu)設計中，回波信號的數(shù)據(jù)處理是由單片機來完成的，考慮到單片機的運算速度，數(shù)據(jù)處理精度、內(nèi)部寄存器資源等因素，本設計中回波信號處理旨在定位被測工件缺陷的位置或者被測工件的厚度，以被測工件為200mm厚度的黃粘土塊，根據(jù)圖中表示，距檢測面105mm和161mm處有缺陷。

在波形顯示區(qū)域中，表面回波、缺陷波、底面回波曲線能夠比較清晰地體現(xiàn)，是由于在超聲波無損檢測過程中，成功消噪回波信號。

本設計通過通濾波器電路進行消噪。算法采用基于迭加的超聲回波消噪法，將檢測實際收到的信號分解為正常回波信號和干擾噪聲兩部分。

為了提高信噪比，降低噪聲對信號的影響，采取迭加過濾的方法，噪聲信號的幅度正負成對稱分布，迭加使噪聲的幅度正負相消，隨著迭加次數(shù)的增加，噪聲值接近于零，如圖2所示。圖2 a)所示的波形是本檢測系統(tǒng)對標準試塊進行檢測得到的回波信號，圖2b)所示的波形是經(jīng)迭加20次處理后的回波信號。

圖2 迭加處理前、后的信號

2 結(jié)論

本文借助超聲波探傷的基本原理，結(jié)合模擬電子技術、數(shù)字電路技術、可編程邏輯控制技術、單片機技術等，從單片機與CPLD芯片的理論特點出發(fā)，設計了基于單片機與CPLD的A型脈沖反射式超聲波探傷儀。實驗室研究發(fā)現(xiàn)對被測對象的固有屬性、功能、狀態(tài)、缺陷及發(fā)展趨勢等進行分析和預測，降低沖擊地壓對我們生活的慘重影響，精確掌握礦山巷道兩幫的程度、變形位置等信息，對礦山安全達到很好的預防目的。在開發(fā)過程中，借鑒了許多的成熟經(jīng)驗和技術，經(jīng)過了功能模塊設計、調(diào)試，系統(tǒng)集成、調(diào)試的反復研發(fā)過程，克服了一系列實際問題，對礦山巷道兩幫破壞情況的檢測有很好的指導性意義。但由于觸發(fā)脈沖寬度的限制、屏幕大小的限制，對于更深度的巖石受力分辨率有待進一步提高。