【正文】 104等優(yōu)點(diǎn)。而ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器。它是近年來(lái)出來(lái)的一種新型集成芯片，通過(guò)外圍電路的設(shè)計(jì)，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╇姡部呻p電源供電。LC振蕩電路需要初始電壓信號(hào)的激發(fā)，起振后由于回路的阻抗，使得產(chǎn)生的正弦信號(hào)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(hào)，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(hào)波形在該檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)對(duì)象為鐵磁性材料，當(dāng)鐵磁性材料長(zhǎng)期處于磁場(chǎng)周?chē)菀妆淮呕瑒?shì)必影響檢測(cè)效果。間斷的正弦信號(hào)比同頻率的恒定的正弦信號(hào)能很好降低磁化作用，而且LC振蕩電路較ICL8038信號(hào)發(fā)生器電路簡(jiǎn)單，使用較少的元器件便能滿(mǎn)足激勵(lì)信號(hào)的要求。故本系統(tǒng)采用LC振蕩電路來(lái)作為激勵(lì)源，如下圖44所示。圖44 LC振蕩電路由傳感器中的激勵(lì)線(xiàn)圈與一適當(dāng)大小的電容即可構(gòu)成能產(chǎn)生所需頻率正弦信號(hào)的振蕩回路。在V由單片機(jī)引腳輸入一定頻率的脈沖信號(hào)，當(dāng)V為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，振蕩電路開(kāi)始充電儲(chǔ)存電能；V轉(zhuǎn)換為高電平后，三級(jí)管截止，振蕩電路開(kāi)始振蕩。其中二級(jí)管D的作用是防止振蕩產(chǎn)生的電壓信號(hào)影響作為開(kāi)關(guān)使用的三級(jí)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(hào)的衰減時(shí)間；L為傳感器中的激勵(lì)線(xiàn)圈；L為傳感器中的測(cè)量線(xiàn)圈。傳感器設(shè)計(jì)制作完畢后，激勵(lì)線(xiàn)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(hào)，由第二章得到所需檢測(cè)頻率在12K~13K左右，故可選取標(biāo)稱(chēng)值為473的電容值即可。電路中正弦信號(hào)振蕩頻率計(jì)算公式如下： f==Hz從電渦流傳感器中傳輸出來(lái)的信號(hào)通常非常微弱，負(fù)載能力低，易受其它電路的干擾，在傳輸線(xiàn)路上也會(huì)很快地衰減。因此，必須對(duì)它進(jìn)行信號(hào)隔離放大處理，一方面提高信號(hào)負(fù)載能力，避免信號(hào)衰減，另一方面是將信號(hào)與后邊電路隔離，減少線(xiàn)路串入的干擾，使信號(hào)盡可能不失真地傳輸?shù)胶筮呺娐分小Ｒ虼宋覀冊(cè)O(shè)計(jì)了如圖45所示的放大電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)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(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后的波形如圖47所示。其中A為輸入探頭的激勵(lì)信號(hào)，B為探頭在工件表面完好處的輸出信號(hào)，C、D為探頭在不同深度裂紋處的輸出信號(hào)，E為探頭在邊緣處的輸出信號(hào)。由此可知傳感器輸出信號(hào)的幅值直接反映工件表面裂紋的深度。因此加入幅值檢測(cè)電路，提取出信號(hào)幅值，使問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化。幅值檢測(cè)電路如圖4 6所示。峰值運(yùn)算電路的基本原理就是利用二極管單向?qū)щ娞匦?，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(dāng)UiUc，Dl導(dǎo)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(jí)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(zhǎng)時(shí)間。對(duì)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(kāi)關(guān)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(fù)載容易使其產(chǎn)生振蕩，可在電路中接入電阻(S1閉合時(shí)的電阻)，延長(zhǎng)電容C3的充電時(shí)間來(lái)避免振蕩，但這是以犧牲Uc對(duì)Ui的快速響應(yīng)為代價(jià)的。開(kāi)關(guān)S1的作用是為了讓有效的峰值通過(guò)；開(kāi)關(guān)S2的作用是為了在新的測(cè)量開(kāi)始前將電容C3放電[3]。圖46峰值運(yùn)算電路圖47 信號(hào)波形圖本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機(jī)作為控制核心，其性?xún)r(jià)比高。片內(nèi)含2KB閃速且flash指令、自動(dòng)擦除只讀存儲(chǔ)器、128字節(jié)數(shù)據(jù)RAM，15位I/O口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，采用兩個(gè)優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)，可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的作用：激勵(lì)信號(hào)的脈沖觸發(fā)；通過(guò)A/D采樣裂紋缺陷信號(hào)；數(shù)據(jù)處理；通過(guò)D/A輸出模擬電壓驅(qū)動(dòng)缺陷顯示電路；控制報(bào)警電路。與裂紋缺陷密切相關(guān)的信號(hào)峰值要進(jìn)入到單片機(jī)進(jìn)行處理，需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對(duì)精度要求不高，轉(zhuǎn)換速率要求每秒采樣1000次，而且為了節(jié)約單片機(jī)I/O口，我們選用了串行接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器件TLC0832。其有如下特點(diǎn)：8位分辨率；易于和微處理器接口或獨(dú)立使用；滿(mǎn)比例尺工作或用5V基準(zhǔn)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(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)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(jié)構(gòu)，用逐次逼近流程，轉(zhuǎn)換差分模擬輸入信號(hào)。有兩個(gè)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(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端，相對(duì)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(fù)極()。通過(guò)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(duì)通道選擇和輸入端進(jìn)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(zhuǎn)換器中包含更多的功能。TLC0832通過(guò)CS，CLK，DO，DI四線(xiàn)完成將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)上傳到單片機(jī)。其中CS用于片選；CLK用于同步時(shí)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(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)串行輸入到單片機(jī)。TLC0832在輸出以最高位(MSB)開(kāi)頭的數(shù)據(jù)流后，又以最低位(LSB)開(kāi)頭重輸一遍(前面的)數(shù)據(jù)流。DI和DO可以連在一起，通過(guò)一根線(xiàn)連到處理器的一個(gè)雙向I/O口進(jìn)行控制。之所以能這樣做是因?yàn)镈I端只能在多路器尋址時(shí)被檢測(cè)，而此時(shí)DO端仍為高阻狀態(tài)。TLC0832與單片機(jī)的連接線(xiàn)路如下圖48。圖48 單片機(jī)與A/D接口電路缺陷大小指示電路需要模擬電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。A/D轉(zhuǎn)換器每采入一次信號(hào)峰值，D/A轉(zhuǎn)換器也就隨即要輸出相應(yīng)電壓，以便隨時(shí)刷新裂紋深度指示。同樣為了節(jié)約單片機(jī)I/O口，選用了串行接口的8位D/A轉(zhuǎn)換器TLV5625。TLV5625為一8位單電源供電的D/A轉(zhuǎn)換器件，基于電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接口為3線(xiàn)串行接口方式，易于和各種微控制器接口使用。輸出電壓計(jì)算公式如下(滿(mǎn)比例于參考電壓)：2REF其中REF為參考電壓；CODE為輸入二進(jìn)制數(shù)值，范圍為0x000~0xFF0。TLV5625在上電時(shí)內(nèi)部寄存器全部清零。TLV5625與單片機(jī)的連接線(xiàn)路如下圖49。圖49 單片機(jī)與D/A接口電路鍵盤(pán)是一組按鍵開(kāi)關(guān)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(pán)的主要功能是增益增加、增益減小、探頭在工件表面無(wú)缺陷處時(shí)的指示調(diào)零，故需三個(gè)按鈕。在單片機(jī)系統(tǒng)中，一般當(dāng)按鈕較少時(shí)，可直接用外部中斷來(lái)完成。但AT89C2051只有兩個(gè)外部中斷，可用一定時(shí)器用作外部計(jì)數(shù)器來(lái)擴(kuò)展一外部中斷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。如將定時(shí)器T0擴(kuò)展為一外部中斷，工作于16位模式時(shí)，將其初始值設(shè)為0xFFFF，當(dāng)外部有鍵按下時(shí)，T0采集到一脈沖，計(jì)數(shù)器加1產(chǎn)生溢出中斷，執(zhí)行所需操作后再將計(jì)數(shù)器值設(shè)置為0xFFFF后推出中斷。其硬件電路如圖410所示。圖410 鍵盤(pán)接口電路缺陷大小的指示采用點(diǎn)亮的發(fā)光二極管LED來(lái)指示面板上的刻度以顯示裂紋缺陷的相對(duì)深度。條狀LED通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914N來(lái)依次點(diǎn)亮。集成電路LM3914N在加入輸入電壓之后，能驅(qū)動(dòng)10支條狀形的LED，或驅(qū)動(dòng)10支點(diǎn)狀形LED中的一支。該集成片內(nèi)包含有一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)器和10個(gè)比較器。在輸入電壓達(dá)到 一定值后，它們便依次點(diǎn)亮LED。若接入的LED閃爍，~，即可消除閃爍?？梢园?個(gè)LM3914N組合試用，如圖412所示。當(dāng)V+為5V時(shí)，~。，無(wú)LED點(diǎn)亮；~，隨電壓的增高20極LED逐個(gè)點(diǎn)亮；若超出滿(mǎn)檔值，最高級(jí)別的LED便保持發(fā)光。引腳9用來(lái)選擇顯示類(lèi)型。圖411 面板刻度 圖412 20極讀出器當(dāng)工件上裂紋缺陷超出一定的深度，系統(tǒng)便驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。該課題可選用的報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路有如下兩種方案：顯示驅(qū)動(dòng)器LM3914N引腳控制。LED驅(qū)動(dòng)引腳上電壓，通過(guò)比較器，單穩(wěn)電路，三極管作為開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。單片機(jī)直接控制。三極管作為開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，如圖413。前者電路稍微復(fù)雜，但使用簡(jiǎn)單，后者采用軟件控制，電路簡(jiǎn)單，使用較靈活，能適應(yīng)多變的需求。在不同的場(chǎng)合可根據(jù)不同的需求進(jìn)行選用。本文采用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警電路。圖413 報(bào)警電路渦流檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中，、磁導(dǎo)率、頻率、缺陷類(lèi)型的變化，以及探頭的抖動(dòng)(即提離效應(yīng))都會(huì)引起阻抗的變化，而在本測(cè)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(guān)系到系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ?。第二種干擾因素(電子線(xiàn)路引起的干擾)比較復(fù)雜[28]。一般來(lái)說(shuō)，干擾既有來(lái)自裝置內(nèi)部的，也有來(lái)自裝置外部的，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)或經(jīng)過(guò)磁感應(yīng)耦合到系統(tǒng)內(nèi)部的。因此電子線(xiàn)路的干擾又可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。來(lái)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(dòng)態(tài)噪聲、分布噪聲等，這些噪聲比較小，但在測(cè)量小信號(hào)和高頻信號(hào)時(shí)，這些噪聲就會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)造成很大的干擾；、傳輸線(xiàn)、電路之間也會(huì)產(chǎn)生干擾，如數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的干擾，走線(xiàn)和元件位置安放不當(dāng)會(huì)造成相互間的靜電感應(yīng)、磁感應(yīng)等，對(duì)于線(xiàn)路工作在高頻狀態(tài)下更是如此；，也會(huì)對(duì)有效信號(hào)造成干擾。對(duì)于來(lái)自系統(tǒng)外部的干擾：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可能有大電流、高電壓、電弧放電等情況，這些因素可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間電磁干擾。針對(duì)不同來(lái)源的干擾和不同的干擾性質(zhì)，本系統(tǒng)采用了相應(yīng)的抗干擾措施，具體措施如下[29]：對(duì)于消除第一種干擾因素，我們?cè)趥鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)，以及電路設(shè)計(jì)中采取了一些相應(yīng)的措施。如探頭測(cè)量線(xiàn)圈可添加以平衡線(xiàn)圈，這樣有利于消除電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、溫度變化、探頭抖動(dòng)所引起的干擾，另外我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)阻抗二維信號(hào)的提取，而由于電導(dǎo)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(cè)的因素與干擾因素分離開(kāi)來(lái)，達(dá)到檢測(cè)的目的。對(duì)于消除電子線(xiàn)路本身的干擾：（1）對(duì)于來(lái)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(gè)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(shí)，盡量使每個(gè)濾波電容及電感靠近各自所要濾波的器件，引線(xiàn)盡量短，以免影響濾波效果。另外要使電源線(xiàn)、地線(xiàn)與數(shù)據(jù)線(xiàn)傳遞的方向一致，用地線(xiàn)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(guò)也不要交叉，最后接于電源地。盡量加粗地線(xiàn)。若地線(xiàn)很細(xì)，接地電位會(huì)隨電流的變化而變化，導(dǎo)致電子系統(tǒng)的信號(hào)受到干擾，特別是模擬電路部分，因此地線(xiàn)應(yīng)該盡量寬，一般以大于3mm為宜。第五章 渦流檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的基本原則（1）結(jié)構(gòu)合理程序應(yīng)采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充，而且也有利于程序的修改和維護(hù)，在程序編寫(xiě)時(shí)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(shí)還可以簡(jiǎn)化程序，減少程序?qū)τ趦?nèi)存的占用量。當(dāng)程序有經(jīng)常需要加以修改或變化的參數(shù)時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)成為獨(dú)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(kāi)發(fā)程序時(shí)，應(yīng)該考慮如何降低對(duì)操作人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)的要求。（3）具有一定的保護(hù)措施系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)一定的檢測(cè)程序，例如狀態(tài)檢測(cè)和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)便于查找故障部位。（4）提高程序的執(zhí)行速度當(dāng)程序的執(zhí)行速度是程序設(shè)計(jì)的主要矛盾時(shí)，可以采用下面的方法提高程序的執(zhí)行速度：①當(dāng)程序?yàn)閰R編語(yǔ)言程序時(shí)，指令盡可能采用零頁(yè)尋址方式，少用或不用間接尋址指令；②當(dāng)進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)采集時(shí)，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(jí)語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程，以發(fā)揮各種語(yǔ)言的特點(diǎn)，提高程序的運(yùn)行速度。單片機(jī)控制軟件的特點(diǎn)[4]隨著單片機(jī)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)以它優(yōu)異的性能使控制系統(tǒng)中硬件電路的設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單，代之而來(lái)的是程序設(shè)計(jì)的任務(wù)則更加繁重。因此，堅(jiān)持正確的設(shè)計(jì)原則，掌握靈活的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于提高整個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量是極為重要的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。在控制軟件的編寫(xiě)中所應(yīng)遵循的一個(gè)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(mǎn)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(fèi)開(kāi)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(shè)計(jì)靈活、方便、易于修改，在許多方面可以取代甚至超過(guò)硬件的功效。但是，這種“以軟代硬”是以占用更多的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)為代價(jià)的。雖可減少元器件的數(shù)目，但使系統(tǒng)的工作速度相應(yīng)降低，這在某種實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合是不允許的，而在實(shí)時(shí)性要求不是很高的場(chǎng)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(jì)算機(jī)上用軟件很容易實(shí)現(xiàn)，且應(yīng)用非常靈活，其效果往往是硬件濾波電路所達(dá)不到的。再如，鍵盤(pán)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(shí)10~20ms，即可避開(kāi)抖動(dòng)時(shí)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(shí)程序插在讀鍵程序之后；若讀鍵程序在定時(shí)中斷程序中，可利用兩次定時(shí)器中斷的時(shí)間間隔完成去抖處理，省去延時(shí)程序。整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能基木上定下來(lái)了。軟件功能分析是為軟件設(shè)計(jì)作為一個(gè)總體規(guī)劃。從軟件的功能不同可分為兩大類(lèi)：一是監(jiān)控軟件即主程序，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，專(zhuān)門(mén)用來(lái)協(xié)調(diào)執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件，它是用來(lái)完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量計(jì)算顯示通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。設(shè)計(jì)者應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)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(jié)構(gòu)，然后根據(jù)實(shí)時(shí)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(guān)系。即安排好前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。