（测试计量技术及仪器专业论文）基于超声波换能器的数据采集系统设计.pdf

c 大连理工大学硕士学位论文 摘要 超声检测( u t - - u l t r a s o n i ct e s t ) 属于无损检测的一种，它是以超声波为信息载体 来检测材料内部缺陷的方法。本文以超声波换能器c t s 2 2 作为传感器，利用s t c 公司 生产的8 9 c 5 2 型单片机作为微处理器，根据项目的实际要求，提出了基于超声波换能器 的高速数据采集系统设计方案。 对于高速数据采集系统，采样频率是系统的主要指标之一，通常，超声换能器的探 头工作频率为0 5 1 0 m h z 。由于受单片机指令周期的限制，数据采集系统的采样频率 也受到限制。本系统是在单片机的控制下，完全由硬件实现的高速数据采集系统。单片 机只在数据采集的开始和结束时动作，在数据采集的过程中，单片机不执行任何操作， 而是由1 6 位的地址发生器在每个时钟周期产生逐次加一的地址信号送给外部存储器， 然后a d 将采集转换后的数字量直接存入到存储器相应的地址单元中。这样就使得系统 的采集频率完全不受单片机速度的限制，大大提高了系统的采样频率。对于采集到外部 数据存储器中的数据，再由单片机控制，通过u s b 接口送至上位机对数据进行处理。 本文分别对数据采集系统的软、硬件进行了设计。硬件方面给出了地址发生器、地 址选择器的设计电路，扩展了两片外部数据存储器i s 6 1 c 2 5 6 ，并给出了a d 转换器 t l c 5 5 1 0 和u s b 芯片p d i u s b d l 2 的接口电路。软件方面编写了数据采集程序，将高 频模拟超声回波信号转换为数字量写入外部r a m 中，同时还对u s b 程序进行了设计， 包括：u s b 固件程序、驱动程序和上位机应用程序。 经测试，本系统能够以2 0 m h z 的采样速率，正确采集并重现超声探伤的回波波形。 关键词：超声波探伤；高速数据采集；u s b 基于超声波换能器的数据采集系统设计 d e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r a b s t r a c t u t ( u l t r a s o n i ct e s t ) i so n eo ft h el o s s l e s st e s tm e t h o d s i ti su s e dt ot e s tt h em a t e r i a l ，s l a c u n ab a s e do nt h eu l t r a s o n i c t h et e x tm a k e su s eo fc t s 2 2a ss e n s o r , a n d8 9 c 5 2m a d eb y s t cc o m p a n ya sm i c r o c o m p u t e r ，p u t sf o r w a r dt h es c h e m eo ft h eu l t r a s o n i ct e s t i n g i n s t r u m e n tb ys c m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t f o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h es a m p l e f r e q u e n c yi so n eo ft h em a i n p a r a m e t e r s ，a n d w o r k i n gf r e q u e n c yo f u l t r a s o n i cs e n s o ri su s u a l l y0 5 1 0 m h z m o s td a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s f r e q u e n c yi sl i m i t e db yt h es c m i n s t r u c t i o nc y c l e ，w h i l et h i ss y s t e mi sc a r r i e do u tc o m p l e t e l y b ym ec i r c u i t s c mw o r k so n l ya tt h eb e g i n n i n ga n de n d ，d u r i n gt h ep r o c e s so fa c q u i s i t i o n ， s c md o e s n tw o r ka ta l l ，w h i l ea16b i t sa d d r e s s g e n e r a t o rp r o d u c e sa d d r e s sa te a c hc l o c k a n d a ds t o r a g e si t sd i g i t a ld a t at or a m d i r e c t l y t h i sw o u l di m p r o v ea c q u i s i t i o n f r e q u e n c yo f t h e s y s t e mw i t h o u tl i m i tb ys c m t h e ns c mt a k e sc h a r g eo ft h ed a t af r o me x t e r n a lr a mt op c b y u s b t h et e x tm a k e sad e s i g no nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i ts h o w st h ec i r c u i to fa d d r e s s g e n e r a t o r ，a d d r e s s - s e l e c t o r ，e x t e r n a l - r a m ，a d ( t l c 5 51o ) a n du s b ( p d i u s b d12 ) t h e r e a r ep r o g r a m sf o rt h ed a t aa c q u i s i t i o n ，w h i c hs u c c e s s f u l l yw r i t e st h eh i g hf r e q u e n c yu l t r a s o n i c s i g n a lt oe x t e r n a lr a m ，t h e r ea r ea l s op r o g r a m sa b o u tu s b ，f o re x a m p l e ，f i r m w a r e ，d r i v e r , a p p l i c a t i o np r o g r a m s t h es y s t e mc a na c q u i r ea n d d i s p l a yt h ew a v ec o r r e c t l ya tt h ef r e q u e n c yo f2 0 m h za sw e t e s t e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t ；h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ；u s b i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 基王超直达逸能墨鲍数堡丞篡丕统遮让 作者签名： 五型鸯日期：业年月j l 日 导师签名： 之壶爰三馨：日期：立竺互年j 互月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 随着经济的迅速发展，无损检测作为保证高质量的重要技术，在机械制造、石油化 工、航空航天等领域发挥着重要作用。而在当今的无损检测领域中，超声波检测技术因 为具有检测灵敏度高、方向性好、适用性广泛等优点占有极其重要的地位【l 2 】。 超声检测法( u t u l t r a s o n i ct e s t ) e 1 是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影 响，在不损伤被检测物质的前提下，探测材料内部或表面的缺陷，并根据检测到的波形 来分析缺陷的大小、形状和分布状况等。 超声波检测迅速、方便、精度高，并且容易实时控制。由于超声波对人体和环境是 无害的，所以超声检测可以广泛应用到各个部门。另外，由于它的输出信号是以波形的 方式体现，使计算机信号处理、模式识别、人工智能等高新技术可以方便地应用于检测 过程，从而提高检测的精确度和可靠性【l ，2 】。 1 1课题背景 本课题来源于大连理工大学一材料科学学院一无损检测研究所，其目的是将超声波 换能器输出的回波信号进行采集，并将回波波形再现于研究人员。由于传统的超声波换 能器不具有数据的记录功能，所以在此之前，检测人员将超声波换能器通过一个笨重的 模拟转换电路与记录仪连接，用来打印并记录数据，但这种方法仍有许多不便之处：传 统的模拟式转换电路只能检测到明显的缺陷；记录仪只能打印出超声回波的峰值，而无 法打印出整体的回波波形；另外，记录的数据只能被打印保存在纸上，使得数据的存储 和分析都很不方便；而且模拟转换电路和记录仪都比较笨重，携带不便。 为了解决以上问题，综合考虑实际工作环境的影响、设备的便携性，以及要实现存 储、波形显示等功能，本文在超声波换能器c t s 2 2 的基础上，利用单片机作为微处理 器，设计了高速数据采集系统的解决方案，以实现工业现场中对超声波探伤的要求和功 能，具有较强的实用价值。 1 2 超声波探伤技术简介 1 2 1 超声波换能器 “换能器”的作用是进行能量转换。“超声波换能器 以超声波作为检测手段，它 可以将电能转换为高频声能，也可以把声能转换为电能，它可以完成超声波的产生和接 收，又称为“超声波传感器”。在本文所设计的数据采集系统中，超声波换能器是系统 中最基本的单元之一。 基于超声波换能器的数据采集系统设计 本文使用的是由广东汕头超声仪器厂生产的c t s 一2 2 型超声波换能器。如图l1 所 | 茔l l - lc l s 一2 2 型超卢波换能器 f i g 1 1c t s - 2 2 u l t r a s o n i cg 即s o r c t s - 2 2 型超声波换能器口1 是携带式a 型脉冲反射式超声波换能器，它的主要性能 及参数如f ： ( 1 ) 工作方式：单探头发射接收或双探头分别发射和接收； f 2 ) 动态范围： = 3 0 d b ； ( 3 ) 发射脉冲幅度：通常约6 0 0 v ； ( 4 ) 配用探头：可使用s h n d 和s h n z 系列中标称频率为0 5 1 0 m h z 的各种探头： ( 5 ) 工作频率范围：o5 1 0 m h z ； 在本系统中，我们需要采集的信号即为该c t s 一2 2 型超声波换能器输出的模拟电压 信号，其范围为0 2 v 。 本文所设计的数据采集系统可以采集并存储从c t s 2 2 输出的超声回波探伤数据， 并且在上位机中利用采集的数据还原出超声回波的波形。专业检测人员可以根据经验对 此波形进行判断，以检测待测材料的内部是否存在缺陷，并分析缺陷的类型和特性等。 大连理工大学硕士学位论文 122 超声波换能器的故障分析 如前所述，c t s 一2 2 采用脉冲反射法探伤。超声波在待检测的工件中传输，当工件 内部没有缺陷时，声波到达底面后，再反射回探头，此时一部分能量被探头吸收，在荧 光屏上产生一次底波b 1 ，其余的能量再到达底面后又反射回探头，其中的一部分能量 又被探头吸收产生二次底波b 2 ，剩余的能量再被折回一，一次脉冲反射的显示情况 如图12 所示： ( 3 ) 有人缺陷 图12一次脉冲反射法的原理 f i g i2 p r i n c i p l eo f o n e - t i m e p u l s er e f l e c t i o n m e t h o d 邕甘一世鼠一吐昏 基于超声波换能器的数据采集系统设计 在图1 2 中，纵轴为能量轴p ，横轴为时间轴t 。 ( 1 ) 为无缺陷的情况。由于工件内没有缺陷，荧光屏上只有发射波( t ) 和反射波( b ) 。 ( 2 ) 为工件内存在小缺陷的情况。荧光屏上会有反射波和缺陷波( f ) 。由于缺陷使 一部分声能反射，从而使反射波的高度下降。判伤时，可根据f 波在横轴上的位置来确 定缺陷在工件中的位置；根据缺陷回波的高度来评价缺陷的当量大小。 ( 3 ) 情况下，当缺陷大到覆盖整个声束截面时，全部声能都直接被缺陷反射，此时， 在荧光屏上只能看到始波和高的缺陷波。 1 3 u s b 技术简介 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，通用串行总线【4 】，它是一种广泛应用于个人计算机及 个人消费电子行业的标准智能型串行接口。u s b 比标准串口快得多，其数据传输速率最 高可达4 8 0 m b p s ，此外，它还能给外围设备提供支持。u s b 正在取代p c 上的多种接口。 u s b 采用“级联 方式，一个u s b 控制器可以连接多至1 2 7 个外设【4 】。u s b 可使 多个设备在一个端口上运行，u s b 为p c 的外设扩展提供了一个很好的解决方案。此外， u s b 还有如下几个方面的优点： ( 1 ) 可双向传输资料； ( 2 ) 真正的即插即用； ( 3 ) 更高的带宽； ( 4 ) 内置电源供给。 u s b 支持3 种传输速度： u s b l 0 协议：1 5 m b p s ； u s b l 1 协议：1 2 m b p s ； u s b 2 0 协议：4 8 0 m b p s 。 1 4 本文研究的主要内容 本文以超声波换能器c t s 一2 2 为基础，应用单片机知识，并结合数字电路设计等硬 件知识，加之c 51 、v i s u a lc + + 等软件设计语言和w i n d o w sd d k 、d r i v e rs t u d i o 等驱动 程序开发工具，综合而成的数据采集系统。 c t s 2 2 系列超声换能器可以有效检测材料内部的伤痕，但是它不具有波形存储及 重现功能。本文设计了一个高速数据采集系统，将c t s 2 2 输出的回波信号采集、存储 并进行显示。 大连理工大学硕士学位论文 本文的主要内容如下： 第一章：介绍了课题背景，并对本文中用到的关键原理和技术一一超声波探伤技术 和u s b 技术做了简要的介绍。 第二章：通过详细分析系统的功能和工作过程，设计了高速数据采集方案。 第三章：对数据采集系统的硬件电路进行设计。包括：闸门信号产生电路、地址发 生器电路、地址选择器电路、单片机外部数据存储器扩展电路、a d 转换电路、u s b 接 口电路等，并将这些电路综合设计在一块p c b 板上，以采集、转换并存储由c t s 一2 2 输 出的模拟电压信号，即超声回波信号。 第四章：对数据采集系统的软件进行设计。包括：利用k e i lu v i s i o n 2 软件及c 5 1 语言编写数据采集程序，实现将模拟信号采集并存储到外部r a m 中；同时编写u s b 程 序，包括u s b 的固件程序、驱动程序和上位机应用程序，实现将外部r a m 中的数据通 过u s b 传送至上位机并进行波形显示、存储等。 第五章：对系统进行整体测试。本文给出测试结果，并将该测试结果与原始的超声 波回波波形比较，以验证结果的正确性。 最后，对全文内容做出总结。 基于超声波换能器的数据采集系统发计 2 系统总体设计 21 系统的功能概述 基于超声波换能器c t s 一2 2 的数掘采集系统的j 作流程如图2l 所示由超声换能 器c t s - 2 2 的发射探头以重复频率不断地发射触发脉冲至被测工件q - ，发射探头将电能 信号转换成超声波信号在被测工件中传播，对其内部状况进行检测；然后，由接收探头 来接收超声回波，并将其转换为一定频率的f 乜能信弓，该超声回波中包含了待测t 件内 部的信息，如：是否有缺陷，缺陷的大小和位置等；表征心波的电信号在c t s 2 2 的内 部经模拟信号处理模块进行波形调理：经过调理后的模拟信号被传送至数据采集模块， 该数据采集模块将采集转换后的数字量存储到数据存储器巾：最后，由单片机将r a m 中的数据通过u s b 上传至上位机中进行处理。 圈2 1 系统结构图 f i g 21s t r u c t u r eo f s y s t c m 上位自 在实际应用中，主要是针对1 0 m 左右的高温炉管进行探伤。系统的主要技术参数和 性能指标如下： 探头工作频率范围：05 m 1 0 m h z 。 发射脉冲重复频率：5 0 0 h z 。 测量深度范围( 管壁厚度) ：1 0 2 5 0 m m 。 其中，探头的工作频率取决于探头的型号，重复频率根据被测物体的厚度进行设定。 由上面的参数值可见，探头的工作频率远大于重复频率，即工作周期远小于重复周期， 所以在每个重复周期内，只有小部分的数据是有用的【6 j 。故本系统中设计了一个闸门信 号，它的作用是将回波中的小部分有效数据选出来，即只在闸门高电平期间采集回波信 号中有用的数据。根据测量的实际状况和经验值，闸门宽度通常为2 0 u s 3 0 u s 。 大连理工大学硕士学位论文 发 一9 f l l l c一 喾i 厦i 叫 接收躲冲 盏| | | 接妖脉冲 八冲八 图2 2 闸门信号示意图 f i g 2 2e x p l a n a t i o no ft h eg a t e 2 2 系统的设计思想 单片机的发展历史从2 0 世纪7 0 年代中期就开始了，由于单片机具有体积小、可靠 性高、灵活方便等优点，与当今流行的a r m 、d s p 等微处理器相比，单片机相对简单、 价格便宜，且技术更加成熟，所以在各个领域内仍有着广泛的应用。本系统选用的微处 理器是s t c8 9 c 5 2 单片机。 在数据采集系统的采集过程中，单片机与a d c 之间通常存在着数据的传送，由于 受单片机的工作频率和指令周期的限制，采集一个数据需要几十到几百微秒的时间，这 样的数据采集速度难以适应高频率信号采集的需要。 本系统是在单片机的控制下，完全由硬件实现的高速数据采集系统。在本系统中， 单片机只在数据采集的开始和结束时动作，在数据采集过程之中，单片机不执行任何操 作，而是由地址发生器在每个时钟周期产生一个地址信号送给外部存储器。地址发生器 实质上是一个1 6 位计数器，它在每个时钟周期产生逐次加一的地址信号，同时a d 转 换器在每个周期将采集并转换后的数字量直接存入到存储器相应的地址单元中，这样即 完成了一个存储器的“写 周期。该采集过程完全由硬件完成，使系统的采集频率不受 单片机速度的限制，从而提高了系统的采样频率【7 j 。 卜述的采集过程是存闸门高电平期间完成的。存闸门低电平期间，将存储器的地址 线与单片机的地址总线相连，由单片机控制“读 存储器中的数据，并送至上位机。由 于在闸门的高、低电平两个阶段，分别进行存储器的“写”和“读”过程，且存储器的 地址线连接的分别是地址发生器的地址线或者是单片机的1 6 位地址总线，所以本文还 设计了一个地址选择器，用于在存储器读写的不同阶段区分存储器地址线的连接情况。 基于超声波换能器的数据采集系统设计 另外，受外部存储器容量和采集速度的限制，我们还需要将采集结果送至上位机进 行存储并将结果实时显示。如前所述，闸门的宽度通常为2 0 u s 3 0 u s 。对于本系统的高 速数据流，选用a d 转换器的采样频率为2 0 m h z ，以闸门宽度为2 0 u s 来计算，一次采 集的数据量为：2 0 m * 2 0 u s = 4 0 0 b y t e s ：在闸门低电平期l 将数据传送至上位机，需夏的 通信速率为：4 0 0 + 8 b i t s ( 1 5 0 0 ) 一2 0 1 0 “( 一6 ) 次采集的数据量为：2 0 m * 3 0 u s - - 6 0 0 b y t e s ； 6 0 0 + 8 b i t s ( 1 5 0 0 ) 一3 0 + 1 0 “( 一6 ) 24 m b p s 。 = i6 m b p s 。以闸门宽度为3 0 u s 来计算 在闸门低电平期闻的数据通信速率为： 可见，普通的串n 难阻满足本系统对速度的要求，所以，本文采用u s b 端口j 上 位机进行数据通信。 综上所述，本系统在设计t 中共有两个关键点：一是对高频数据的采集，该过程通过 设计地址发生器和地址选择器，利用外部硬件电路将a d 转换得到的数字量直接存储刮 外部数摒存储器中：二是将外部数据存储器中的数据实时高速传送至上伉机，该过程是 在单片机的控制下，通过u s b 接门来完成的。 23 系统的总体结构 基于t 述设计思想，本系统的结构主要包括三个部分口 7 ，如图23 所示： 图23 系统总体框图 f i g2 3 t h es y s t e md i a g r a m 圈闷_ j一瞄啊一 大连理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 数据采集部分。该部分主要是由地址发生器、a d 转换器和外部数据存储器组 成的，用来实现将高频超声回波信号采集、转换后存储至外部数据存储器中。数据采集 过程在闸门高电平期间完成，由主程序实现，在主程序中主要完成单片机相关控制信号 的启动工作，而采集和存储过程则是由硬件电路自动实现的。 ( 2 ) 数据处理部分。该部分由单片机控制将外部存储器中的数据通过单片机的1 6 位 地址总线读到u s b 总线上。该过程在闸门低电平期间完成，由中断服务程序实现，主 要完成单片机读外部r a m 中的数据。 ( 3 ) 最后，单片机通过u s b 芯片将数据送至上位机进行处理。该过程需要完成u s b 程序的编写，包括：固件程序、驱动程序和上位机应用程序。 具体工作过程为：单片机启动系统数据采集；在每个时钟周期，地址发生器产生地 址信号，该地址信号经过地址选择器，被直接送到存储器；同时，经a d 转换器采集并 转换后的数字量，通过数据线被送入存储器相应的地址单元中，如此完成一个采样周期。 直到一个闸门内的数据采集完毕，从而结束一次数据采集，在闸门低电平期间转入中断 服务程序，在中断服务程序中，单片机读存储器中的数据，并通过u s b 总线送至上位 机进行相应的处理。 ，- 基于超声波换能器的数据采集系统设计 3 系统硬件设计 31 硬件系统总体设计 本文所设计的高速数据采集系统的硬件连接示意图如图3 1 所示。 图31 超声波探伤系统的硬件结构图 f i g3lh a r d w a r e d i a g r a m o f s y s t e m 如上图所示，由单片机的p i 0 引脚和闸门信号共同控制地址发生器的清零端( j r ， 当c r 为低电平时，地址发生器的计数值被清零，当c r 为高电平时，地址发生器在每 个时钟周期计数，故只有当p i 0 和闸门均为高电平时，地址发生器才计数；将地址发 生器的1 6 位输出送入地址选择器的b 输入端；由单片机的p l2 引脚控制地址选择器的 片选信号，低电平有效；由单片机的p 1l 引脚来控制地址选择器的选择端s e l ，通过 控制选择端电平的高低，使地址选择器的输出端y 0 , - y 1 5 分别输出地址发生器的1 6 位 地址信号，或单片机的1 6 位地址总线信号；存储器的地址线与地址选择器的输出端相 连，由于在闸门高、低电平期间分别对存储器进行写或读，放地址选择器需要选择不同 大连理工大学硕士学位论文 的地址信号输出给存储器：而存储器的八位数据线分别与a d 转换器的八位数据线以及 单片机的数据总线相连接；单片机的p 0o - - p 07 引脚作为低八位地址和8 位数据的复用 总线，在时钟的前半个周期内，p o 口送出低八位地址数据，利用锁存器7 4 3 7 3 在a l e 的下降沿完成锁存，产生低八位地址信号，在时钟的后半个周期内，可以写入数据或读 出数据；p 20 - p 27 作为高八位的地址总线，它与7 4 3 7 3 输出的低八位地址信号共形成 1 6 位地址总线，送入地址选择器的，a 输入端；单片机p 0 口上的数据通过u s b 接口芯 片上传至p c 机进行相应的处理：另外，a d 转换器的输出使能端由闸fj 信号控制，只 有在闸门的有效期间，a d 转换器才采囊数据并将转换结果输出。 32 系统的微处理器 本系统选用的徽处理器是s t c8 9 c 5 2 单片机，它完全兼容a t m e l 公司的5 1 单片 机，除此之外它自身还有很多优点，例如：低功耗、高可靠性、强抗静电性、强抗干扰 性等。另外，s t c 单片机的内部资源更丰富，它的内部有5 1 2 个字节的s k a m 、8 - 6 4 k 字节的内部程序存储器、2 - 8 k 字节的i s p 引导码等。该单片机自身固化有i s p 程序，通 过串u 下载程序，既是评估系统，又是下载工具，可配合k e i l 开发工具和程序下载软 件完成程序编辑、编译、调试、下载等工作hj 。 在系统开旋和调试过程中，选用的是t x 一1 c 型单片机开发板，它使用s t c8 9 c 5 2 单片机作为核心控制芯片，可以用汇编语言或c 语言对其进行编程。对于s t c 单片机， 可直接用串口线将开发板与计算机的串口相连，利用s t ci s p 软件直接下载程序，且下 载速度比起其它下载工具要快的多。图3 2 所示为t xi c 型单片机开发板。 罔32 t x1 c 型单片机开发板 f i g3 2 t x - l cs c md e v e l o p m e n tb o a r d 基于超声波换能器的数据采集系统设计 3 3闸门产生电路 由于超声波探头的工作频率远大于重复频率，在每个重复周期之内，只有小部分的 数据需要采集，所以在系统中设计了闸门信号，它的作用是对超声回波有选择性地进行 采集，同时，闸门信号的位置和宽度可以通过电位器进行调节。闸门电路如图3 3 所示： 7 图3 3 闸门信号产生电路 f i g ，3 3 c i r c u i to ft h eg a t e 其中，v p 是取自超声换能器内部的发射脉冲。对该电路的时序分析如下： ( 1 ) 当发射脉冲未到来时： a 点为低电平，b 点为高电平。 三极管j 1 截止，d 点为低电平，故e 点为高电平。 与非门l 输出为低电平，即电容c l 两端均为低电平。 ( 2 ) 当发射脉冲到来时： a 点为高电平，b 点为低电平。 与非门l 输出变为高电平，通过电容c l 的耦合使c 点变为高电平。 三极管儿导通，d 点为高电平，故e 点为低电平。 e 点反馈至与非门l 的输入端，使与非门l 保持高电平输出，对电容c 1 充电； 当c 点电位降低导致三极管j 1 的集电结反向偏置时，三极管j l 截止，e 点变为高电平， 电容c 1 开始放电。通过调节电位器r 1 大小，可改变闸门的起始点位置。 大连理工大学硕士学位论文 当脉冲v p 到来时，在e 点会产生一段时间的低电平，则f 点会产生一段时间 的高电平，该高电平会对电容c 2 充电，然后c 2 再被放电。通过调节电位器r 2 的大小 可以改变闸门的宽度。 将g 点与e 点通过与门后，将得到一个正的窄脉冲，u o u t 即为闸门信号。 由上述分析，则该电路的时序图如下所示： o 矗| l i i 氛。轰 o b 旷 厂丫一 图3 4 闸门电路时序图 f i g 3 4t i m i n gc h a r to fg a t ec i r c u i t 在图3 4 中，u o u t 即为闸门信号。它的起始位置由u c 决定，故通过调节r 1 可以 改变闸门信号的起始位置；它的宽度由u g 决定，故通过调节电位器r 2 的大小可以改变 闸门的宽度。 3 4 地址发生器 地址发生器实质上是一个计数器，它的作用是在周期性脉冲信号( 时钟信号) 的作 用下，自动产生1 6 位地址信号，且地址值是逐次加一的。该地址发生器是由四片7 4 1 6 1 同步级联而构成，每片7 4 1 6 1 产生四位输出，共生成1 6 位地址信号。其电路结构如图 3 。5 所示： 溉 瞻 弧 基于超声波换能器的数据采集系统设计 图3 5 地址发生器电路原理图 f i g 3 5 s c h e m a t i cc i r c u i to ft h ea d d r e s sg e n e r a t o r 其中，7 4 1 6 1 是高速四位二进制同步计数器，它采用上升沿触发，同步可预置方式 工作【9 】，在本系统中，计数频率为2 0 m h z 。2 0 m h z 的时钟信号经过闸门的选通后，输 出给四片7 4 1 6 1 以同步的方式计数，在闸门低电平期间，地址发生器不计数；由单片机 的p 1 0 引脚控制四片7 4 16 1 同时清零或计数工作；预置端l d 全部初始化为0 ；将最高 位的进位输出端c o 通过一个非门后，与四片计数器的预置端l d 相连接，所以，当最 高位计数器的进位端c o 为高电平时，即计数到6 5 5 3 5 ( 2 1 6 一l = 6 5 5 3 5 ) 时，将四个l d 管脚同时清零，使计数器从零开始新一轮的计数。地址发生器输出信号的时序仿真如图 3 6 所示。 大连理工大学硕士学位论文 ( b ) 图3 6 地址发生器时序图 f i g 3 6t i m i n gc h a r to fa d d r e s sg e n e r a t o r 上图中，c l k 为地址发生器的时钟信号，预置端设为低电平( 全为零) ，a b 为 a 1 5 - 一a 0 的1 6 位地址产生信号。从仿真结果可以看出，地址发生器在每个时钟周期计 数，即产生逐次加一的地址信号，如图3 6 ( a ) 所示；当计数到6 5 5 3 5 时，再从零开始 重新计数，如图3 6 ( b ) 所示。可见仿真结果满足设计要求。 3 5 地址选择器 由于本系统的高速采集过程完全由硬件过程实现，无需软件参与，当a d 采集的数 据通过地址发生器的地址信号被自动写入外部r a m 后，再在单片机的控制下将数据向 上位机传输。所以，在r a m 读写的不同时期，其地址线上的地址信号是不同的。地址 选择器的作用就是决定存储器的地址线与何处连接。本系统的地址选择器是由四片 7 4 1 5 7 构成的。根据选择输入端s e l 为高、低电平的不同状态，地址选择器输出的分别 是从地址发生器或从单片机送来的1 6 位地址信号。其电路结构如图3 7 所示： 基于超声波换能器的数据采集系统设计 b l ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， _ _ - 。l 。_ 。l lilllii l 越噬惭1 11 ：1 当惰溯 图3 7 地址选择器电路原理图 f i g 3 7 s c h e m a t i cc i r c u i to f t h ea d d r e s ss e l e c t o r 其中，7 4 1 5 7 是四位二输入数据选择器【伽。1 6 位b 输入端连接到地址发生器产生的 1 6 位地址信号上；1 6 位a 输入端与单片机的地址总线相连；在公共选择输入端o e ( 由 单片机p 1 2 引脚来控制) 选通的情况下，将选择端s e l ( 由单片机p 1 1 引脚来控制) 分别设置为高或低电平，则地址选择器分别输出不同的地址信号。该地址选择器的结果 仿真如图3 8 所示。 够c l k 妇p s 葛l l 妒 g 虹爹0 ) 0 l 矿囝 妇团y 哇多 一 b 1 5 移- b 1 4 啦多- b 1 3 蕾多 - b 1 2 移- b 1 l 移 - b 1 0 移- 椭 移 一椭 蕾多一蛐t 多 - 硒 谤一n 5 t 多 一 b 4 毫多 b 3 t 劳 - j u 2 t 劳 - b 1 爹 一柚0 大连理工大学硕士学位论文 痧c l k 妇p s e l 妇pg 妒 0 0 i 团 移团y 9p s1 6 0 i p n s 3 2 0 p 砧枷pm 哪p 蝎8 0 0 pm9 6 0 i pm1 1 ；u1 印璐 1 dp s j n 几几几几几nn 几几几几几几几n 几几几f 1 几几几几几几几nr 1 几几几几几几 ： 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ： 6 5 5 3 5 ( b ) 图3 8 地址选择器时序图 f i g 3 8t i m i n gc h a r to ft h ea d d r e s ss e l e c t o r 在仿真时，我们假设a 端( 单片机地址总线信号) 输入的是1 1 1 11 1 1 11 1 1 11 11 1 ( 6 5 5 3 5 ) ，由图3 8 ( a ) 可见，当选择端s e l 为高电平时，输出y 1 5 - y 0 为依次计数加 一的信号，即地址发生器的地址信号；由图3 8 ( b ) 可见，当选择端s e l 为低电平时， 输出y 1 5 y 0 为单片机的地址总线信号。仿真结果满足设计要求。 3 6 外部数据存储器 外部数据存储器的作用是用来暂存由a d 采样转换后的数据。本系统选用了 i s 6 1 c 2 5 6 ，它是由i s s i 公司生产的3 2 k * 8 b i t s 高速静态r a m ，单5 v 电源供电。本系统 中扩展了两片6 1 2 5 6 ，共有6 4 k b 的存储空间。扩展电路如图3 9 所示。 图3 9 外部存储器扩展电路 f i g 3 9 c i r c u i to fo u t s i d er a m 基于超声波换能器的数据采集系统设计 我们将闸门和时钟信号共同作为一个与非门的输入，并将该与非门的输出与存储器 的w e 引脚相连接，其中，时钟信号经过与非门后用来在每个时钟周期提供一定延时的 低电平作为有效的存储器的w e 信号，而闸门信号则用来控制存储器的“读 或“写 过程：当闸门为低电平时，存储器的w e 为高，此时对存储器进行“读”操作，而当闸 门为高时，存储器的w e 为低电平，此时对存储器进行“写”操作。同时，将存储器的 o e 管脚与单片机的v , d ( p 3 7 ) 相连，直接由单片机的r d 引脚来控制存储器的“读 过 程，将暂存在存储器中的数据通过单片机的p o 口传送到上位机；8 位数据线分别与单 片机的p o 口和d 的数据线相连；a 0 a 1 4 与地址选择器输出端y 0 y 1 4 相连，两个 片选分别与y 1 5 和y 1 5 相连接【l o ，1 1 】。两片存储器的寻址范围为： 低位：y 1 5 - - 0 ：0 0 0 0 h 7 f f f h ；3 2 k b 。 高位：y 1 5 = l ：8 0 0 0 h f f f f h ；3 2 k b 。 3 。7a d 转换电路 由于超声换能器c t s 一2 2 的工作频率为0 5 m - - 一1 0 m h z ，根据采样定理，要求采样频 率至少为信号最高频率的2 倍，又因为在c t s 2 2 内部已经有一系列的信号调理电路， 所以它所输出的模拟信号的噪声已得到很好的控制，故2 0 m h z 的采样频率就能够满足 系统的要求了。另外，由于超声换能器c t s 2 2 的输出模拟电压范围为o 2 v ，对于8 位a d 转换器，其分辨率为2 v 2 8 - - 0 0 0 7 8 v ，可以满足系统的精度要求。 本文选择由t i ( 德州仪器) 公司生产的t l c 5 5 1 0 型a d 转换器，它是高速、8 位 模数转换器，可提供的采样速率高达2 0 m s p s 。由于t l c 5 5 1 0 采用了半闪速结构及c m o s 工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功 耗。它的内部带有采样保持电路，从而简化了外围电路的设计。t l c 5 5 1 0 可广泛用于 数字t v 、医学图像、视频会议、高速数据转换以及q a m 解调器等方面【1 2 】。t l c 5 5 1 0 的接口电路如图3 1 0 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图3 1 0t l c 5 5 1 0 连接电路 f i g 3 1 0 c i r c u i to f t l c 5 51 0 其中，a n a l o gi n 为模拟信号输入端，待采样信号从t l c 5 5 1 0 的a n a l o gi n 端 输入，在c l k 时钟信号的作用下，a d 转换器进行模数转换。o e 为输出使能端，低 电平有效，将闸门信号取反后，与a d 的o e 端相连，如前所述，当闸门为高电平时， 对存储器进行“写过程，该过程中o e 端为低电平，即允许a d 转换所得数据输出给 存储器。a g n d 和d g n d 分别代表模拟信号地和数字信号地；v d d a 和v d d d 分别为 模拟电路和数字电路的工作电源；d 1 d 8 是8 位数据输出端口；r e f t s 、r e f t 、r e f b 和r e f b s 是参考电压引出端，在t l c 5 5 1 0 的内部带有标准分压电阻，如图3 1 l 所示。 将r e f t s 与r e f t 相连，将r e f b s 与r e f b 相连，则经过内部的分压电阻进行分压后， 可以从+ 5 v 的电源获得2 v 满刻度的基准电压。该电压范围恰好与超声换能器的模拟输 出电压范围相匹配。 1 9 一 基于超声波换能器的数据采集系统设计 v d d a r e f t r e f b r e f b s a g n d t l c 5 5 1 0 1 8 弱n n 硎 1 g 1 7 r r e l 2 7 0 l n o m 呈羔j l 舢r 2 删 = 图3 1 lt l c 5 5 1 0 内部分压电阻 f i g 3 11 i n t e r n a l r e f e r e n c er e s i s t o rd i v i d e r 3 8u s b 电路 由于a d 转换器的采集速率较高，所以单位时间内的通信量也很大，如前论述，普 通的串口不能够满足本系统对速率的要求，故本系统选用了u s b 接口作为单片机与上 位机的通信接口。 本文的u s b 芯片选用p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 器件【j 3 j ，它是带有并行总线和 局部d m a 传输能力的全速u s b 接口器件。其内部功能框图如图3 1 2 所示【1 4 】： 6 m 时z 心重 上游端口 p l l 锁相环 d + j ij ku 心q 口 - 位时钟恢复 r 1 rr p h i u p s 收发器l 串行接口引擎 图3 1 2p d i u s b d l 2 的功能框图 f i g 3 1 2 i n t e r n a l s t r u c t u r eo f p d i u s b d d t 2 大连理工大学硕士学位论文 其中，s o f tc o n n e c t 与u s b 的连接是通过1 5k q 上拉电阻将d + 设置为高实现的 模拟收发器接口通过终端电阻直接与u 电；利用p l l 锁相环可使用低成本的6 的u s b 协议层，完全由硬件实现，不需 s b 电缆相连；电压调整器用 m h z 晶振； 要固件参与 p h i l i p s 串行接 于给模拟收发器供 口引擎实现了全部 ；g o o d l i n k 提供了u s b 连接的l e d 指示。存储器管理单元( m m u ) 和集成r a m 用作缓冲区，允许微控制器以自己的速率 对u s b 信息包进行读写。p d i u s b d l 2 与单片机的连接电路如图3 1 3 所示： 图3 1 3p d i u s b d l 2 连接电路 f i g 3 1 3 c i r c u i to f p d i u s b d l 2 i n tn 为中断管脚，低电平有效，它与单片机的外部中断引脚i n t l 相连，d 1 2 从 u s b 端口得到信息后，向单片机发出中断信号，单片机进入中断处理程序进行响应。读、 写选通信号r d n 和w r n 直接与单片机的 u s b 的数据线。单片机的a l e 和d 1 2 的a l w r 、r d 连接，低电平有效。d 和d + 为 e 相接，表示采用单独地址和数据总线配 置。单片机的p 0 口直接与p d i u s b d l 2 的数据总线d a t a 0