【正文】 104等優(yōu)點。而ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器。它是近年來出來的一種新型集成芯片，通過外圍電路的設計，可產(chǎn)生高精度的正弦波、方波和三角波。選擇不同參數(shù)的外電阻和電容等器件，可產(chǎn)生不同頻率的波形，頻率的可調(diào)范圍為1~600kHz?？捎脝坞娫垂╇?，也可雙電源供電。LC振蕩電路需要初始電壓信號的激發(fā)，起振后由于回路的阻抗，使得產(chǎn)生的正弦信號逐漸衰減直至為零。因此需要不斷的激發(fā)，才能產(chǎn)生間斷不連續(xù)的逐漸衰減的正弦信號，如圖43所示。而ICL8038可產(chǎn)生比較恒定的正弦波。圖43 LC振蕩電路產(chǎn)生信號波形在該檢測系統(tǒng)中，檢測對象為鐵磁性材料，當鐵磁性材料長期處于磁場周圍容易被磁化，勢必影響檢測效果。間斷的正弦信號比同頻率的恒定的正弦信號能很好降低磁化作用，而且LC振蕩電路較ICL8038信號發(fā)生器電路簡單，使用較少的元器件便能滿足激勵信號的要求。故本系統(tǒng)采用LC振蕩電路來作為激勵源，如下圖44所示。圖44 LC振蕩電路由傳感器中的激勵線圈與一適當大小的電容即可構成能產(chǎn)生所需頻率正弦信號的振蕩回路。在V由單片機引腳輸入一定頻率的脈沖信號，當V為低電平時，三極管導通，振蕩電路開始充電儲存電能；V轉換為高電平后，三級管截止，振蕩電路開始振蕩。其中二級管D的作用是防止振蕩產(chǎn)生的電壓信號影響作為開關使用的三級管的正常工作；振蕩電路中電阻R用于調(diào)整振蕩電路中正弦信號的衰減時間；L為傳感器中的激勵線圈；L為傳感器中的測量線圈。傳感器設計制作完畢后，激勵線圈參數(shù)電感量L便以確定，只要確定振蕩電路電容即可得到所需頻率的正弦信號，由第二章得到所需檢測頻率在12K~13K左右，故可選取標稱值為473的電容值即可。電路中正弦信號振蕩頻率計算公式如下： f==Hz從電渦流傳感器中傳輸出來的信號通常非常微弱，負載能力低，易受其它電路的干擾，在傳輸線路上也會很快地衰減。因此，必須對它進行信號隔離放大處理，一方面提高信號負載能力，避免信號衰減，另一方面是將信號與后邊電路隔離，減少線路串入的干擾，使信號盡可能不失真地傳輸?shù)胶筮呺娐分?。因此我們設計了如圖45所示的放大電路對傳感器輸出的信號進行放大。在放大之前采用了RC低通濾波器慮掉一些高頻干擾。采用放大電路為一同向比例放大器，放大倍數(shù)為： A=1+圖45濾波放大電路傳感器輸出的信號經(jīng)過濾波放大后的波形如圖47所示。其中A為輸入探頭的激勵信號，B為探頭在工件表面完好處的輸出信號，C、D為探頭在不同深度裂紋處的輸出信號，E為探頭在邊緣處的輸出信號。由此可知傳感器輸出信號的幅值直接反映工件表面裂紋的深度。因此加入幅值檢測電路，提取出信號幅值，使問題得到了簡化。幅值檢測電路如圖4 6所示。峰值運算電路的基本原理就是利用二極管單向導電特性，使電容單向充電，記憶其峰值。為了克服二極管管壓降的影響，將二極管Dl放在跟隨器反饋回路中。只要輸入電壓UiUc，則二極管Dl截止。當UiUc，Dl導通，電容C3充電，使得u=u，這樣電容c一直充電到輸入電壓的最大值。后級電壓跟隨器具有較高的輸入阻抗，電容C3可以保持峰值較長時間。對電路的主要要求是：，使C3能快速地充電，隨Ui的增大而變化；，開關S2的泄漏電阻大，A3的輸入阻抗大，使Uo能保持峰值。放大器A2的電容負載容易使其產(chǎn)生振蕩，可在電路中接入電阻(S1閉合時的電阻)，延長電容C3的充電時間來避免振蕩，但這是以犧牲Uc對Ui的快速響應為代價的。開關S1的作用是為了讓有效的峰值通過；開關S2的作用是為了在新的測量開始前將電容C3放電[3]。圖46峰值運算電路圖47 信號波形圖本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機作為控制核心，其性價比高。片內(nèi)含2KB閃速且flash指令、自動擦除只讀存儲器、128字節(jié)數(shù)據(jù)RAM，15位I/O口，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，采用兩個優(yōu)先級結構，可滿足系統(tǒng)要求。單片機在整個系統(tǒng)中的作用：激勵信號的脈沖觸發(fā)；通過A/D采樣裂紋缺陷信號；數(shù)據(jù)處理；通過D/A輸出模擬電壓驅動缺陷顯示電路；控制報警電路。與裂紋缺陷密切相關的信號峰值要進入到單片機進行處理，需要相應的數(shù)據(jù)采集A/D轉換。系統(tǒng)對精度要求不高，轉換速率要求每秒采樣1000次，而且為了節(jié)約單片機I/O口，我們選用了串行接口的8位A/D轉換器件TLC0832。其有如下特點：8位分辨率；易于和微處理器接口或獨立使用；滿比例尺工作或用5V基準電壓；單通道或多路選擇的雙通道，可單端或差分輸入；單5V供電，輸入范圍0~5V；輸入和輸出與TTL和CMOS兼容；在FCLK=250kHz時轉換時間為32us；總非調(diào)整誤差1LSB。TLC0832采用采樣—數(shù)據(jù)—比較器的結構，用逐次逼近流程，轉換差分模擬輸入信號。有兩個可多路選擇的輸入通道，TLC0832的多路器可用軟件配置為單端和差分輸入。要轉換的輸入電壓連到一個輸入端，相對于地(單端輸入)或另一輸入端(差分輸入)。其輸入端可以分配為正極(+)或負極()。通過和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令，用軟件對通道選擇和輸入端進行配置。串行通信格式在不增加封裝大小的情況下，可以在轉換器中包含更多的功能。TLC0832通過CS，CLK，DO，DI四線完成將轉換數(shù)據(jù)上傳到單片機。其中CS用于片選；CLK用于同步時鐘的輸入；DI用于串行輸入控制命令，選擇通道及工作模式等；DO用于將轉換完成的數(shù)據(jù)串行輸入到單片機。TLC0832在輸出以最高位(MSB)開頭的數(shù)據(jù)流后，又以最低位(LSB)開頭重輸一遍(前面的)數(shù)據(jù)流。DI和DO可以連在一起，通過一根線連到處理器的一個雙向I/O口進行控制。之所以能這樣做是因為DI端只能在多路器尋址時被檢測，而此時DO端仍為高阻狀態(tài)。TLC0832與單片機的連接線路如下圖48。圖48 單片機與A/D接口電路缺陷大小指示電路需要模擬電壓來驅動。A/D轉換器每采入一次信號峰值，D/A轉換器也就隨即要輸出相應電壓，以便隨時刷新裂紋深度指示。同樣為了節(jié)約單片機I/O口，選用了串行接口的8位D/A轉換器TLV5625。TLV5625為一8位單電源供電的D/A轉換器件，基于電阻網(wǎng)絡結構。接口為3線串行接口方式，易于和各種微控制器接口使用。輸出電壓計算公式如下(滿比例于參考電壓)：2REF其中REF為參考電壓；CODE為輸入二進制數(shù)值，范圍為0x000~0xFF0。TLV5625在上電時內(nèi)部寄存器全部清零。TLV5625與單片機的連接線路如下圖49。圖49 單片機與D/A接口電路鍵盤是一組按鍵開關的集合，是控制命令和參數(shù)的主要輸入口。在本系統(tǒng)中，鍵盤的主要功能是增益增加、增益減小、探頭在工件表面無缺陷處時的指示調(diào)零，故需三個按鈕。在單片機系統(tǒng)中，一般當按鈕較少時，可直接用外部中斷來完成。但AT89C2051只有兩個外部中斷，可用一定時器用作外部計數(shù)器來擴展一外部中斷實現(xiàn)系統(tǒng)要求。如將定時器T0擴展為一外部中斷，工作于16位模式時，將其初始值設為0xFFFF，當外部有鍵按下時，T0采集到一脈沖，計數(shù)器加1產(chǎn)生溢出中斷，執(zhí)行所需操作后再將計數(shù)器值設置為0xFFFF后推出中斷。其硬件電路如圖410所示。圖410 鍵盤接口電路缺陷大小的指示采用點亮的發(fā)光二極管LED來指示面板上的刻度以顯示裂紋缺陷的相對深度。條狀LED通過顯示驅動器LM3914N來依次點亮。集成電路LM3914N在加入輸入電壓之后，能驅動10支條狀形的LED，或驅動10支點狀形LED中的一支。該集成片內(nèi)包含有一個電壓驅動器和10個比較器。在輸入電壓達到 一定值后，它們便依次點亮LED。若接入的LED閃爍，~，即可消除閃爍。可以把2個LM3914N組合試用，如圖412所示。當V+為5V時，~。，無LED點亮；~，隨電壓的增高20極LED逐個點亮；若超出滿檔值，最高級別的LED便保持發(fā)光。引腳9用來選擇顯示類型。圖411 面板刻度 圖412 20極讀出器當工件上裂紋缺陷超出一定的深度，系統(tǒng)便驅動蜂鳴器報警。該課題可選用的報警驅動電路有如下兩種方案：顯示驅動器LM3914N引腳控制。LED驅動引腳上電壓，通過比較器，單穩(wěn)電路，三極管作為開關驅動蜂鳴器。單片機直接控制。三極管作為開關驅動蜂鳴器，如圖413。前者電路稍微復雜，但使用簡單，后者采用軟件控制，電路簡單，使用較靈活，能適應多變的需求。在不同的場合可根據(jù)不同的需求進行選用。本文采用單片機控制驅動蜂鳴器報警電路。圖413 報警電路渦流檢測在實際應用中，、磁導率、頻率、缺陷類型的變化，以及探頭的抖動(即提離效應)都會引起阻抗的變化，而在本測量系統(tǒng)中，除了缺陷以外其它所有引起探頭阻抗發(fā)生變化的因素都成了干擾，系統(tǒng)的抗干擾性能的好壞直接關系到系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ鳌５诙N干擾因素(電子線路引起的干擾)比較復雜[28]。一般來說，干擾既有來自裝置內(nèi)部的，也有來自裝置外部的，通過導線或經(jīng)過磁感應耦合到系統(tǒng)內(nèi)部的。因此電子線路的干擾又可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾有：，如元件的熱噪聲、散粒噪聲、晶體管內(nèi)部的動態(tài)噪聲、分布噪聲等，這些噪聲比較小，但在測量小信號和高頻信號時，這些噪聲就會對被測信號造成很大的干擾；、傳輸線、電路之間也會產(chǎn)生干擾，如數(shù)字信號和模擬信號之間的干擾，走線和元件位置安放不當會造成相互間的靜電感應、磁感應等，對于線路工作在高頻狀態(tài)下更是如此；，也會對有效信號造成干擾。對于來自系統(tǒng)外部的干擾：實驗現(xiàn)場可能有大電流、高電壓、電弧放電等情況，這些因素可能會產(chǎn)生較大的空間電磁干擾。針對不同來源的干擾和不同的干擾性質(zhì)，本系統(tǒng)采用了相應的抗干擾措施，具體措施如下[29]：對于消除第一種干擾因素，我們在傳感器的設計，以及電路設計中采取了一些相應的措施。如探頭測量線圈可添加以平衡線圈，這樣有利于消除電導率、磁導率、溫度變化、探頭抖動所引起的干擾，另外我們在電路設計中實現(xiàn)了對阻抗二維信號的提取，而由于電導率等干擾因素引起阻抗變化方向與缺陷引起阻抗變化方向各不相同，所以可采用相位分離法將需要檢測的因素與干擾因素分離開來，達到檢測的目的。對于消除電子線路本身的干擾：（1）對于來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，采用了性能比較優(yōu)良的芯片。在每一個元件的電源輸入端與地之間都接一去耦電容以濾去干擾。（2）在制作電路板時，盡量使每個濾波電容及電感靠近各自所要濾波的器件，引線盡量短，以免影響濾波效果。另外要使電源線、地線與數(shù)據(jù)線傳遞的方向一致，用地線把數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，寧可繞過也不要交叉，最后接于電源地。盡量加粗地線。若地線很細，接地電位會隨電流的變化而變化，導致電子系統(tǒng)的信號受到干擾，特別是模擬電路部分，因此地線應該盡量寬，一般以大于3mm為宜。第五章 渦流檢測系統(tǒng)軟件設計軟件設計的基本原則（1）結構合理程序應采用結構模塊化設計，這不僅有利于程序的進一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護，在程序編寫時要盡量利用子程序，使得程序的層次分明，易于閱讀和理解，同時還可以簡化程序，減少程序對于內(nèi)存的占用量。當程序有經(jīng)常需要加以修改或變化的參數(shù)時，應該設計成為獨立的參數(shù)傳遞程序。（2）操作性能好操作性能好是指使用方便，在開發(fā)程序時，應該考慮如何降低對操作人員專業(yè)知識的要求。（3）具有一定的保護措施系統(tǒng)應設計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時便于查找故障部位。（4）提高程序的執(zhí)行速度當程序的執(zhí)行速度是程序設計的主要矛盾時，可以采用下面的方法提高程序的執(zhí)行速度：①當程序為匯編語言程序時，指令盡可能采用零頁尋址方式，少用或不用間接尋址指令；②當進行單通道數(shù)據(jù)采集時，不要將通道選擇指令包括在循環(huán)體內(nèi)；③盡量采用高級語言與匯編語言混合編程，以發(fā)揮各種語言的特點，提高程序的運行速度。單片機控制軟件的特點[4]隨著單片機在控制領域中的廣泛應用，單片機以它優(yōu)異的性能使控制系統(tǒng)中硬件電路的設計變得更為簡單，代之而來的是程序設計的任務則更加繁重。因此，堅持正確的設計原則，掌握靈活的設計方法，對于提高整個控制系統(tǒng)的質(zhì)量是極為重要的。計算機控制系統(tǒng)的設計包括硬件和軟件兩部分。在控制軟件的編寫中所應遵循的一個重要原則就是軟件要最大限度地與硬件配合，充分發(fā)揮各自的效能以滿足不同的控制系統(tǒng)的需要。原則上，在系統(tǒng)允許的情況下，盡可能采用軟件，減少硬件的使用。其原因是，這樣可以節(jié)省經(jīng)費開支，減少因硬件的增加而降低系統(tǒng)可靠性的隱患，并且軟件設計靈活、方便、易于修改，在許多方面可以取代甚至超過硬件的功效。但是，這種“以軟代硬”是以占用更多的計算機機時為代價的。雖可減少元器件的數(shù)目，但使系統(tǒng)的工作速度相應降低，這在某種實時性要求較高的場合是不允許的，而在實時性要求不是很高的場合，則更具優(yōu)越性。如軟件數(shù)字濾波被廣泛用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。它有硬件濾波的功效，卻不需要硬件投資。由于各種濾波算法在計算機上用軟件很容易實現(xiàn)，且應用非常靈活，其效果往往是硬件濾波電路所達不到的。再如，鍵盤去抖處理，在硬件上可使用雙穩(wěn)電路，而在軟件上只需掃描到有鍵按下，延時10~20ms，即可避開抖動時間。若讀鍵程序在主程序或外部中斷處理程序中，可直接將延時程序插在讀鍵程序之后；若讀鍵程序在定時中斷程序中，可利用兩次定時器中斷的時間間隔完成去抖處理，省去延時程序。整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能基木上定下來了。軟件功能分析是為軟件設計作為一個總體規(guī)劃。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件即主程序，它是整個系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件，它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量計算顯示通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。設計者應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了。首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇一種最合適的監(jiān)控程序結構，然后根據(jù)實時性的要求，合理的安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間的調(diào)度關系。即安排好前臺程序和后臺程序。