一种基于CPLD的超声波测厚系统的设计

摘要：介绍了超声波测犀以及用CPLD来实现测量控制与数据处理的原理，并着重介绍了一些具体的处理方法。通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，系统能实时地测量数据，具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
关键词：超声波；CPLD；测厚

0 引言
    在工业生产和产品质量检测中，常常需要在无损条件下测出工件的厚度，从而确定是否符合设计要求。目前，钢板是钢材的四大品种(板、管、型、丝)之一，被广泛应用于高层建筑、桥梁、海上石油平台、大型轮船等工程项目中，其厚度直接关系着这些工程项目的安全性和可靠性，在钢板测厚方面，超声波无损测厚方法将得到广泛应用。

1 超声测厚的原理
    超声测厚的基本原理是利用超声波在介质中的传播特性来发现材料缺陷和壁厚，脉冲反射式测厚法实质上是测量超声波脉冲在材料中的往返传播时间。
    超声波测量按工作原理分，有共振法、干涉法及脉冲回波法等几种。由于脉冲回波法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，所以超声脉冲回波法也是应用比较广泛的一种，其原理用超声波探头向被测物体发出超声脉冲，此超声脉冲便在被测物体内传播，传播至被测物体的底面时反射，反射回来的超声波又被超声波探头接收，这样，从超声波探头发出超声脉冲到超声波探头接收到反射脉冲所用的时间t可通过电路精确地检测出来，在t时间内超声波在被测物体内完成了一个往返，如图1所示。如果被测物体的厚度用d表示，超声波的总行程就是2d，由于声波在某一物体内传播的速度c是常数，所以被测物体的厚度可由下式算出：d=vt／2。式中：d-被测物体厚度；v-超声波速度；t-超声波从管射到接收回波的时间。

    超声波传感器分发射器和接收器两部分，超声波传感器按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，最常用的是压电式传感器。
    压电式超声波传感器探头的核心为压电晶片，利用压电效应实现声电转换，其振动频率在几百千赫以上，当它的两电极加脉冲信号(触发脉冲)，若其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，若电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。

2 超声波测厚系统电路总体结构及工作原理
    超声波测厚系统模块的主要任务是产生一个超声波信号，将超声波信号放大后加载到超声波探头上，超声波探头带动被测物体发生共振，然后将得到的数据采样并且峰值保持，然后送给信号处理模块，因此它是本设计的基础部分，是实现将检测信息娩出，得到良好超声波回波信息的关键所在。
    本超声波测厚系统模块主要由触发信号产生电路，发射接收放大电路，放大检波电路，采样峰值保持电路，模数转换电路，液晶显示电路和CPLD运算及控制电路等构成。其电路构成设计如图2：

    当通电开始测厚时，由CPU(中央处理器)发出测厚同步信号，触发发射电路，使直探头产生超声波入射至工件，当超声波返回探头时，首先经过衰减，然后放大检波取样，所得厚度时间方波经积分保持器送ADC574模数转换器，模数转换之后送CPLD进行数据处理，并显示之12864液晶显示模块。

3 软件程序设计
    软件程序设计框图如图3所示，系统软件是根据本仪器的功能而设计的，在主程序中，首先进行初始化，在初始化中完成设置堆栈指针，定义显示单元，设置显示缓冲区地址，显示数据地址，然后读开关量，根据手动开关的要求转入校正，探伤或测厚处理程序，若以上三种情况都不是，则使得数码管上显示为零，最后返回读开关量。

4 测厚程序设计
    由于本系统采用的是12位输出的ADC574模数转换器，所以可保证很高的测厚精度，本系统超声测厚仪采用VerilogHD编程实现数据采集处理模块门，它的CPLD软件实现方法如图4所示，测量的过程如下。

    (1)仪器上电，进入测量状态，CPU首先对CPLD进行初始化，使计数器及锁存器清零，CPLD等待CPU的发射请求。
    (2)若接收到CPU的发射请求，CPLD产生一个几百纳秒的触发信号，开通高压电路，激励探头产生超声波，同时启动计数器开始计数。根据测厚仪1～300 mm的测量范围，采用软件自带的一个16位计数器即可涵盖所需要的测量范围。如果CPLD的资源比较紧张，还可以用VerilogHDL语言设计一个合适位数的计数器(例如12位计数器)，以达到合理利用资源的效果。
    (3)如果CPLD在合理的时间内未接收到回波信号，则回波有效标志位为0，锁存器里的数据无效，CPU不读取。当CPLD接收到回波信号时，还需对接收的回波信号做宽度检测，仅当回波宽度在合理范围内，才认为是有效的，回波宽度检测是为了避免由于探头藕合不良而引起读数不准确的情况。
    (4)CPLD检测到有效回波时，锁存回波从发射到接收所用的时间、回波的前沿及后沿等相关信息，回波有效标志位置1，CPU读取所需的信息。值得注意的是，在超声测厚仪回波的数据采集中，只检测回波的前、后沿，根据对称性计算出其中点，而不必花费更多的资源计算其峰值。这样做使仪器的结构更简单，体积更小巧，功耗也较低。本程序进行连续采集256次数据累加求厚度的平均值，再进行十六进制到十进制的转换，显示出十进制的厚度值。

5 结束语
    超声测厚仪中应用低功耗CPLD，可降低产品的生产成本，提高系统的可靠性，缩小设计的物理体积，灵活性更好，而且在满足测量精度的前提下，大大降低了仪器整体的静态功耗。本系统的结论：
    (1)本系统探头及测厚不受工件形状厚薄限制，灵敏度高。
    (2)本系统性能指标达到如下数值：
    探伤灵敏度余量>=46 dB；
    垂直线性误差<=5％；
    水平线性误差<=1％；
    衰减精度每12 dB±0．6；
    分辩率>=22 dB；
    动态范围>=32 dB；
    测厚精度0．05 mm。