【正文】 位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門使用不多。1976年，國(guó)家建委科技司主持召開(kāi)全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國(guó)6個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。七十年代， 。該儀器采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5Kg。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單.，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開(kāi)發(fā)。目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上是最大的節(jié)約。高智能化檢測(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號(hào)已超過(guò)國(guó)外同類儀器水平。距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，超聲波測(cè)距是一種很有效的測(cè)量方法，有著廣泛的應(yīng)用。主要工作內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：1. 開(kāi)發(fā)一套具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程修改功能的上位機(jī)軟件。3. 開(kāi)發(fā)出基于ARM7處理器LPC2368的超聲測(cè)距下位機(jī)系統(tǒng)。5. 要求該嵌入式系統(tǒng)具備報(bào)警設(shè)置、周期設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置等功能。 第二章 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)我們生活的世界充滿了各種可聽(tīng)的聲信號(hào)。我國(guó)兩千多年前的先秦時(shí)期，在樂(lè)律和樂(lè)器的研究方面，對(duì)聲學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。然而由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框?、海豚等?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。我們?nèi)祟惗淠苈?tīng)到的聲波頻率為20Hz～20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為超聲波，或稱超聲。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。它能在固體、液體和氣體中傳播。它只能在固體中傳播。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァ．?dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)的波稱為反射波。入射波反射波折射波αα’β 圖21 超聲波反射與折射圖其反射與折射滿足如下規(guī)律:入射角a的正弦與反射角a’的正弦之比，等于波束之比。入射角a的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速v1與折射波中介質(zhì)的波速v2之比，即 （21）當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲速在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射，反射聲強(qiáng)Ir與入射聲強(qiáng) 之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大小為 （22）式中: 為反射聲強(qiáng)。 為第一介質(zhì)的聲阻抗: 為第二介質(zhì)的聲阻抗。這說(shuō)明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。在一般探測(cè)頻率上，材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間，如水及其他衰減材料 為 dB/mm。穿透20mm距離時(shí)，衰減為90%。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測(cè)量距離領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中脈沖回波法測(cè)距最為常用，它主要基于超聲測(cè)距回波信號(hào)的識(shí)別，多采用模擬方法，用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，傳感器半徑r有關(guān)[4]。當(dāng)?0選定后，指向角近似與傳感器半徑成反比。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=，故 （28）空氣中超聲波的衰減系數(shù)為: （29）所以，空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的[5]。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮:，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。這樣傳感器方向性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。B為氣體的彈性模量。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得: （211）式中:為定壓熱容與定容熱容的比值。而氣體的壓強(qiáng)公式為:P= （212）式中:。M為氣體分子量。其變化公式為：Cs=(m/s) （214）式中:T為氣體溫度K(絕對(duì)溫度)。在常溫20℃下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為344m/s。 MDK軟件介紹在中國(guó)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)者中，Keil Software公司推出的Keil uVision系列軟件是最為經(jīng)典的單片機(jī)軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。ARM RealView MDK開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要具有如下特點(diǎn)：采用Keil uVision3的開(kāi)發(fā)環(huán)境和界面，給單片機(jī)用戶的升級(jí)帶來(lái)極大的方便。支持匯編語(yǔ)言，C51語(yǔ)言以及混合編程等多種方式的單片機(jī)設(shè)計(jì)。集成了豐富的庫(kù)函數(shù)，以及完善的編譯連接工具。可以與多款外部仿真器聯(lián)合使用，提供強(qiáng)大的在線仿真調(diào)試能力。在開(kāi)發(fā)界面中支持多個(gè)項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)。由于Keil uVision具有最為廣泛的用戶群，因此相應(yīng)的代碼資源非常豐富，讀者可以輕松地找到各類編程資源以加速學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)過(guò)程。ARM7TDMIS處理器，可在高達(dá)72MHz的工作頻率下運(yùn)行，并擁有高達(dá)512kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能。Flash程序存儲(chǔ)器在ARM局部總線上，可以進(jìn)行高性能的CPU訪問(wèn)。每個(gè)定時(shí)器帶有一個(gè)可編程的32位預(yù)分頻器，在連續(xù)工作情況下，可在匹配時(shí)可選擇產(chǎn)生中斷。此外，每個(gè)定時(shí)器包含4路32位的捕獲通道，可以在輸入信號(hào)變化時(shí)捕捉定時(shí)器的瞬時(shí)值，產(chǎn)生中斷。其計(jì)數(shù)時(shí)鐘可以通過(guò)對(duì)Fpclk進(jìn)行分頻得到，（每秒計(jì)數(shù)總數(shù)是32768）。 通信接口模塊LPC2368處理器有四個(gè)UART模塊。第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)構(gòu)成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。若消息與本機(jī)地址匹配，則回復(fù)收到信息并進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；若消息與本機(jī)地址不匹配則不對(duì)其處理。如圖31所示：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上位機(jī)下位機(jī)01下位機(jī)02下位機(jī)N通 信 網(wǎng) 絡(luò)……圖31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件由Visual C++，具有良好的可視效果，功能包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程修改、測(cè)距報(bào)警、操作歷史記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄等。同步指令主要用于上位機(jī)與對(duì)應(yīng)序號(hào)的下位機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。修改指令主要是用于通過(guò)上位機(jī)修改下位機(jī)的設(shè)置值。歷史數(shù)據(jù)記錄主要用于記錄對(duì)應(yīng)下位機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)距報(bào)警：主要實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警功能。如圖33所示。顯示功能：系統(tǒng)顯示功能主要包括測(cè)量距離的顯示、時(shí)鐘顯示和報(bào)警顯示。在正常測(cè)量模式下，測(cè)量值和時(shí)鐘每隔2S交替顯示；而在快速測(cè)量模式下，則只顯示測(cè)距值。系統(tǒng)設(shè)置功能：包括報(bào)警設(shè)置、周期設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置。周期設(shè)置是超聲波發(fā)射周期設(shè)置，可根據(jù)測(cè)量距離的變化速度可以設(shè)置相應(yīng)的周期值。校準(zhǔn)設(shè)置是下位機(jī)的零刻度值設(shè)置，當(dāng)傳感器的安裝位置不同時(shí)，可以根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的零刻度值。串口通信功能：用來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)的信息交換。 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 串行通信基本概念串口通信，是在一些聯(lián)絡(luò)信號(hào)的控制下，使用一對(duì)傳輸線，將數(shù)據(jù)的各位按照時(shí)間順序依次傳送[8]。串行通信的信息格式有異步和同步信息格式。由于串行通信中信息邏輯定義與TTL不兼容，故需要邏輯電平轉(zhuǎn)換，以提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?串行通信協(xié)議（1）異步傳輸協(xié)議：也稱起止式異步協(xié)議，其特點(diǎn)是通信雙方以一個(gè)字符作為數(shù)據(jù)傳輸單位，且發(fā)送方傳送字符的間隔時(shí)間是不定的。（2）面向字符的同步傳輸協(xié)議：其特點(diǎn)是一次傳送由若干個(gè)字符組成的數(shù)據(jù)塊，而不是只傳送一個(gè)字符，并規(guī)定10個(gè)特殊字符作為這個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)頭與結(jié)束標(biāo)志以及整個(gè)傳輸過(guò)程的控制信息。本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用RS232協(xié)議，串口通信設(shè)置為：波特率115200，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。整個(gè)系統(tǒng)采用統(tǒng)一的23位通訊消息，其中包含2位地址位，2位指令位，3位數(shù)據(jù)位以及14位時(shí)間位。12345678910111213141516171819202122232位：保留位。6位：是指令位，本系統(tǒng)采用的指令有JS、PP、JC、BJ、PL和QX等，見(jiàn)表31。在JC指令中三位分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)距離的百、十、個(gè)位（單位cm）；在BJ指令中7位對(duì)應(yīng)報(bào)警設(shè)置第一位，8位對(duì)應(yīng)報(bào)警設(shè)置第二位，9位為保留位；在PL指令中7位對(duì)應(yīng)頻率設(shè)置第一位，8位對(duì)應(yīng)頻率設(shè)置第二位，9位為保留位；在其他指令中，均為保留位。1013位對(duì)應(yīng)四位年信息；1415位對(duì)應(yīng)兩位月信息；1617位對(duì)應(yīng)兩位日信息；1819位對(duì)應(yīng)兩位小時(shí)信息；2021位對(duì)應(yīng)兩位分鐘信息；2223位對(duì)應(yīng)兩位秒鐘信息。也是上位機(jī)判斷下位機(jī)是否收到信息的依據(jù)。報(bào)警BJ是系統(tǒng)修改報(bào)警的指令頻率（周期）PL是系統(tǒng)修改頻率的指令取消QX是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令時(shí)，取消后，由下位機(jī)反饋給上位機(jī)的信息。整體結(jié)構(gòu)如圖41所示。（2）系統(tǒng)設(shè)置模塊，主要包括發(fā)射脈沖的頻率設(shè)置、報(bào)警距離設(shè)置、零刻度校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置。零刻度校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置主要在現(xiàn)場(chǎng)由鍵盤實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)置。設(shè)置界面是下位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)鍵盤操作將系統(tǒng)設(shè)置的樹(shù)狀目錄有選擇性的顯示。（4）串口通信模塊主要將測(cè)量所得的距離通過(guò)RS232協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)顯示，并接受由上位機(jī)發(fā)送的信息。發(fā)射信號(hào)打開(kāi)定時(shí)器接收信號(hào)捕獲中斷根據(jù)時(shí)差計(jì)算距離報(bào)警設(shè)置系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警距離設(shè)置發(fā)射頻率液晶顯示屏序號(hào)串口通信零刻度校準(zhǔn)鍵盤輸入RTC同步時(shí)鐘序