基于微控制器的便攜式共面電容無損檢測系統

殷曉康，鄧承杰，曹 松，李 偉，陳國明，周 凱

（1. 中國石油大學（華東） 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580；2. 山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250101）

基于共面電容測量的電容成像無損檢測技術因其非接觸、易操作及適用范圍廣等獨特性能，逐漸成為電磁無損檢測技術研究的熱點。該技術利用共面電容探頭電極間的邊緣探測場，對非導電被測對象內部缺陷和金屬表面缺陷進行檢測，已被成功應用于玻璃鋼、混凝土和絕緣包覆金屬構件等常規無損檢測技術難以使用的檢測對象[1-4]。

近年來，在大量理論研究和實驗實證的基礎上，電容成像技術正逐漸從實驗室向現場應用轉化。但由于現有電容成像無損檢測系統多采用交流激勵法的檢測方案，系統由電荷放大、鎖相放大、信號采集與處理等多個相對獨立的系統模塊集成，便攜性和現場適應性有待提高。同時，常規電容成像檢測系統由于設備成本較高，用于機電專業相關課程教學時僅適合用于演示實驗，無法滿足學生的實操需求。

鑒于此，本文開發了兼具教學實驗價值和現場適應性的便攜式共面電容無損檢測系統。系統以STM32為主控制器，以自行設計的主控和電容探頭為核心，搭配雙電源方案，整合電容測量、交互顯示等模塊，實現了反映被測對象缺陷信息的微小電容信號的檢測、處理和顯示功能。

1 檢測系統功能和總體設計

本系統以玻璃鋼等非導電材料構件的缺陷檢測為典型應用場景，采用主機與探頭分離的設計方案，可針對作業環境和目標結構定制、選配探頭，提高系統的靈活性。檢出缺陷以云圖和峰值圖兩種形式直觀顯示，檢測數據可掉電保存并可方便導出。

系統硬件分為主機和探頭兩部分。主機由STM32F446最小系統、電源、調試模塊、顯示模塊、按鍵模塊和帶電可擦可編程只讀存儲模塊（EEPROM）組成。探頭由共面電容傳感器和微小電容測量模塊構成。主機與探頭使用串口通信，統一供電。系統硬件框架如圖1所示。

圖1 實驗系統硬件框架圖

系統軟件以 STM32CubeF4軟件包、觸摸屏驅動包、FreeRTOS軟件包為基礎。其中，STM32CubeF4軟件包提供微控制器編程所需的硬件抽象層庫文件；觸摸屏驅動包提供ILI9486顯示控制芯片和XPT2046觸摸控制芯片的驅動程序；FreeRTOS軟件包為開源軟件，為系統提供穩定可靠的實時操作系統內核。系統軟件的各項功能均按照可調度的任務形式部署在實時操作系統上，各個任務通過內核的任務調度機制統一管理。系統軟件的主要任務包括系統開機自檢、桌面環境初始化、傳感器通信、數據動態顯示、數據后臺記錄和系統參數設置等，如圖2所示。

圖2 檢測系統軟件框架圖

2 檢測系統硬件設計

高效且穩定的硬件設計是保證實驗系統可靠性的重要前提，主要包括圍繞微控制器的主控設計和圍繞電容傳感器的探頭設計。

2.1 微控制器及其最小系統

檢測系統使用意法半導體公司 STM32F446微控制器。該控制器采用32位ARM Cortex-M4核心，工作頻率高達180 MHz，且自帶浮點運算單元，與傳統51單片機相比，功能更強大，性價比更高[5]。通過開啟浮點單元，可以有針對性地加快數據的處理速度[6]，能滿足進行實時彩色圖像運算的性能需求。該控制器擁有512 kB閃存和128 kB的SRAM，為彩色人機交互界面程序提供了足夠的存儲和運行空間。外設方面，該控制器擁有3個12位模數轉換器（ADC）和4組最高速度可達45 Mb/s的串行外設接口（SPI），可以支持大分辨率的串口觸摸屏，能滿足實驗系統的設計需要。

微控制器最小系統由微控制器、匹配晶振、電源電路和復位電路構成，電路如圖3所示。

STM32F446的工作電壓為3.3 V，為滿足系統可依靠內部緊湊電源獨立運行的需求，設計了可通過跳線手動選擇的雙供電方案，分別為由兩節 AA電池供電的升壓供電方案和由5 VMicro-USB接口供電的降壓供電方案。跳線JP1用于選擇內外部供電模式，JP2、JP3選通電壓輸入，JP4、JP5選通電壓輸出。系統上電開機時，紅色LED常亮。系統供電電路如圖4所示。

2.2 系統外圍模塊

系統顯示模塊采用ILI9486驅動芯片和XPT2046電阻式觸摸屏控制器方案。屏幕支持二值、灰度和RGB565顏色編碼，分辨率為480×320像素。顯示模塊使用SPI與微控制器通信。

系統按鍵模塊按照微控制器GPIO上升沿中斷觸發模式設計，共設有5個獨立功能按鍵供用戶使用。

系統EEPROM使用意法半導體M24C64芯片。該芯片采用I2C串行總線，引腳簡單且傳輸速率高，使用廣泛[7]。芯片內置8 kB存儲空間，用于存儲實驗系統歷史數據。

2.3 共面電容傳感器設計

圖3 微控制器最小系統電路

圖4 供電電路

共面電容傳感器因其結構簡單、無需耦合、非接觸及單面檢測等優勢，廣泛用于非導電材料缺陷的無損檢測。前期研究表明，電極面積、形狀、間距等設計參數可直接影響穿透深度、靈敏度、信號強度等檢測性能指標，需根據被測對象和目標缺陷進行設計與優化[8-11]。圖 5為所設計電容傳感器及其主要參數示意圖，該傳感器為雙層印刷電路板，三角形覆銅面作為激勵和接收電極，形成電容的測量電極對，印刷電路板背面覆銅并接地以屏蔽干擾。其主要參數包括：b為三角形電容極板底邊長，h為三角形電容極板高度，L為電容傳感器基板寬度，W為電容傳感器極板高度，s為激勵與接收極板之間距離，測量電極對由屏蔽電極包圍（寬度常選用1 mm）。針對不同的檢測對象與目標缺陷，可通過設計參數的改變與配合，有針對性地完成探頭傳感部分的設計。

圖5 共面電容傳感器示意圖

2.4 微小電容測量模塊設計

為精確測量共面電容傳感器的微小電容，選用艾邁斯公司（AMS AG）PCAP02低功耗電容數字轉換器及其外圍器件組成的微小電容測量模塊。PCAP02利用直流充放電法檢測微小電容，具有fF至nF的寬量程范圍和最高500 kHz的刷新速率，可同時對多達8個電容器進行實時測量。轉換器芯片內部集成DSP，功耗低且運行速度快[12]。圖6為PCAP02芯片的內部結構示意圖。

圖6中PCAP02芯片內部內置了1～31 pF的參考電容，考慮到本系統無損檢測用共面電容傳感器的實際電容值，在PC0和PC1端口處額外增加1 pF的COG陶瓷電容作為系統的參考電容。此時PC2和PC3端口分別連接待測電容（共面電容傳感器）激勵極板和接收極板，對被測電容和參考電容進行快速的充電放電。通過內置的高精度時間數字轉化器（TDC）對充放電時間進行記錄與轉換，實現微小電容的精確測量。

圖6 PCAP02內部結構

為本系統開發所設計的基于PCAP02的微小電容測量模塊的印刷電路圖及實物如圖7所示。

圖7 微小電容檢測模塊

圖 7中 C10、C11為耦合電容，R1、R2、R3為I2C的上拉電阻，R4、R5、R6為接地電阻。本系統中，上述微小電容測量模塊與節2.3所述共面電容傳感器一并封裝于鋁制殼體中，形成電容探頭，如圖8所示。該探頭的傳感器設計參數為：b=6 mm，h=8 mm，L=20 mm，W=10 mm，s=2 mm。根據不同檢測需求，可設計不同的共面電容傳感器并制成可更換的電容探頭。

圖8 電容探頭

3 檢測系統軟件設計

3.1 基礎程序設計

系統軟件使用Keil MDK集成開發環境編寫。該環境支持軟件的編寫、編譯、鏈接和調試，操作簡單且功能強大[13]。系統軟件功能以底層相互獨立的功能程序為基礎。各功能程序分別編寫，并為后續構建交互界面和控制機制提供軟件接口。檢測系統軟件各基礎功能程序如表1所示。

表1 基礎程序表

以觸摸屏程序為例，由于觸摸屏的顯示控制芯片和觸摸控制芯片共用一個 SPI，需要先對接口進行配置。詳細硬件配置參數如表2所示。

表2 微控制器SPI配置表

在屏幕正常點亮的基礎上，對驅動包提供的繪點函數、數字顯示函數、英文字母顯示函數等進行測試。確認驅動移植成功后，通過對以上三個函數的靈活調用，編寫了幾何圖形繪制、字符串打印、RGB565圖片顯示等多個常用繪圖函數，基本滿足了系統的需要。按鍵程序通過中斷響應實現，按照外部引腳上升沿觸發模式配置。在中斷觸發后，中斷響應程序對特定用戶變量置位，配合響應程序將用戶操作應用到系統中。

3.2 人機交互界面設計

基礎功能程序的實現為人機交互界面的設計提供了條件。通過對圖形顯示接口的調用和封裝，分別實現了桌面和獨立應用窗口的設計。

檢測系統軟件桌面由快捷方式、菜單按鈕和狀態欄組成。通過點擊快捷方式或按下獨立按鍵，可以打開對應的數據動態顯示窗口和系統參數設置窗口。菜單按鈕為二級菜單，在不使用按鍵的情況下，提供觸摸解決方案。狀態欄可提示主機與探頭的連接狀態，并告知當前系統狀態。

人機交互界面為探頭信號顯示和系統參數設置提供了獨立的窗口。

探頭信號的動態顯示窗口提供了云圖和峰值圖兩種直觀顯示方式，如圖9所示。動態顯示窗口左側為依據電容測量值繪制的環形等效云圖，可直觀反映探頭所在位置缺陷信息：該云圖在探頭覆蓋位置無缺陷時為綠色；有缺陷時其中心位置呈現紅色，紅色越深，代表探頭所在區域電容畸變值越大，缺陷越嚴重。動態顯示窗口右側為檢測信號峰值圖，依據參考基準信號給出當前信號的百分比強度，定量表征缺陷的嚴重程度。動態窗口置頂時，可按下相應獨立按鍵改變探頭的工作模式，支持連續采樣和單次觸發。在連續采樣模式下，動態圖像的刷新速率作為系統性能的重要指標，通過優化的繪制算法保障；單次觸發模式下可以記錄采樣數據用于后續檢測結果的處理與掃查曲線顯示。

圖9 探頭信號動態顯示窗口

系統參數設置窗口可調整系統的運行參數，如進行屏幕的亮度調節、時間設置、歷史記錄清除等。

3.3 操作系統設計

由于各基礎功能程序無法單獨運行，且前端消耗系統資源多，對檢測系統實時性影響較大，需使用FreeRTOS實時操作系統統一管理各功能程序，通過算法指導內核進行調度，保證系統的實時性。FreeRTOS可在降低軟件系統各功能程序間耦合度的基礎上有效利用資源，并通過信號量、消息隊列等功能減小系統的設計難度，有利于實現原型系統的快速開發[14-15]。在 FreeRTOS實時操作系統框架下，檢測系統軟件中的各基礎功能程序與單獨的任務對應。任務具備獨立的任務名稱、任務句柄和任務函數，其中任務函數是功能程序的二次封裝。本系統涉及的任務主要包括開機自檢任務、桌面繪制任務、窗口繪制任務、用戶輸入響應任務、傳感器通信任務和系統參數調整任務等，如表4所示。

以檢測系統最為基礎的上電開機，調用動態數據顯示功能為例，其任務調度流程如圖10所示。

表4 系統任務表

圖10 動態數據顯示功能流程

各任務調度的時序如圖11所示。在T1時刻，自檢任務啟動。在 T2時刻，完成自檢，創建桌面繪制任務并刪除自身；此時系統只有桌面繪制任務存在，該任務在屏幕上繪制出桌面。在 T3時刻，完成桌面繪制并創建管理任務，同時刪除自身；此時管理任務開始監視用戶輸入。在 T4時刻，捕獲用戶打開數據窗口命令，創建數據窗口繪制任務，并阻塞自身。在T5時刻，數據窗口繪制任務完成，創建探頭通信任務，阻塞自身；探頭通信任務運行，對探頭進行參數設置并接收探頭數據。在 T6時刻，通信任務接收到有效數據，阻塞自身；窗口繪制任務得以繼續運行，進行顯示數據的刷新。在 T7時刻，管理任務運行，未檢測到用戶輸入命令，再次將自身阻塞。在 T8時刻，數據窗口繼續刷新。第一次刷新過程至T9時刻結束，同時進入新的刷新過程。

圖11 任務調度示例時序

4 系統測試

將各硬件模塊集成、封裝并下載所開發軟件后，最終形成的檢測系統如圖12所示。系統采用兩節AA電池供電，主機和探頭均使用鋁制外殼，主機設計有電源開關和功能按鍵，便于攜帶和操作。

圖12 檢測系統實物圖

通過實驗室實驗和現場實驗對所開發系統進行功能和適應性測試。

實驗室實驗采用帶人工預制缺陷的玻璃鋼試塊。試塊厚度為2 mm，缺陷為1組從左至右直徑分別為3、5、7、9、11 mm的平底圓孔，圓孔深度均為0.5 mm，如圖13所示。

圖13 帶平底圓孔缺陷玻璃鋼試樣

檢測實驗過程中，操作人員手持圖8的電容探頭從該試塊不含缺陷一側沿試塊中心線進行線掃描，檢測系統測量并存儲所檢測的電容值。在線掃描過程中，系統動態顯示窗口以云圖和峰值圖實時顯示由缺陷造成的電容變化。掃描結束后，從系統中提取掃描結果，并繪制電容變化曲線如圖 14所示。由圖 14可見，5個缺陷顯示為檢測曲線的5個凹陷，凹陷處的檢測值與基值差異明顯且差值與圓孔的尺寸正相關，展示了系統對該類缺陷良好的檢測能力。

圖14 玻璃鋼試樣缺陷掃描結果

現場實驗選用500 m3玻璃鋼制污水儲罐，該罐體表面因施工質量及老化等原因出現滲漏跡象，如圖15中紅框部分所示。

圖15 玻璃鋼儲罐表面滲漏

考慮到罐體厚度（100～150 mm），圖8的探頭無法對該儲罐進行全厚度檢測，故設計并制作大尺寸探頭（見圖16）并與所開發檢測系統主機配合使用。

圖16 玻璃鋼儲罐檢測用電容探頭

圖 16中探頭的傳感器設計參數為：b=60 mm，h=80 mm，L=200 mm，W=100 mm，s=30 mm。探頭殼體設有滾輪，以適應儲罐表面的曲面掃查。利用該探頭對罐體滲漏水漬（紅框）上方區域（未呈現水漬）進行掃描，以找尋罐體內壁實際破損區域。對圖 15紅框上沿100 mm處進行往返兩次線掃描的結果如圖17所示。往返掃描結果中，電容曲線呈現兩次凸起，故可斷定內壁破損區域至少在紅框上方 100 mm以上，為找尋實際破損區域，需在更上方區域進行掃查。需指出的是，兩個凸起峰值不同是由于儲罐表面不平造成的探頭提離距離變化導致。測試實驗表明，所開發系統可對儲罐隱藏滲漏區域進行有效檢測。

圖17 玻璃鋼儲罐滲漏區域掃查結果

5 結語

本文以共面電容傳感技術和微控制器應用技術為基礎，面向玻璃鋼等非導電構件的無損檢測需求，開發了基于STM32微控制器的共面電容無損檢測系統。系統可對非導電材料進行單面非接觸快速掃查，將缺陷數據以動態圖形的形式直觀呈現，實現非導電關鍵構件的缺陷篩查，具有良好的現場實用價值。

系統軟硬件具有較好的開放性，適配與電容探頭相同接口的其他類型傳感器，可進行微控制器編程與測試訓練或完成各類參數測試與信號處理實驗，因此該系統也可作為教學實驗儀器使用，從而豐富“機電信息檢測與處理技術”“無損檢測技術”“微控制器原理與應用”等機械電子工程領域專業課程教學內容，并使課程緊跟行業的熱點方向，以培養學生解決復雜工程問題的能力。