毕业设计（论文）-基于PC104的非金属无损检测.doc

随着微电子技术、计算机技术、嵌入式技术的高速发展及其在工程检测中的应用，新的设计理念、新的实现方式不断出现，并突破了传统工程检测系统的设计模式。本课题设计的是应用超声脉冲检测技术对混凝土、岩石陶瓷等非金属材料和构件进行无损检测的智能化仪器，配备功能强大的便携式微型计算机系统、大屏幕液晶显示器和锂电池，它集超声波发射、同步接收、数字信号高速采集、声参量自动检测、数据分析处理、结果实时显示和数据存储与输出功能于一身。文章首先介绍了超声检测的相关理论以及现状，并在此基础上详细介绍了硬件系统各模块的设计和部分软件模块的设计流程。接收系统采用程控滤波和程控放大，使得用户能根据回波信号的强弱和探头频率的不同而选择不同的滤波电路和放大倍数；交直流供电满足不同的应用场合；采用高分辨率大屏幕液晶显示器，被测波形直观形象；触摸屏输入，操作方便。各种接口齐全，方便用户进一步数据处理。通过和其它仪器对比，该系统具有可重配置性好，重量轻等优点，为产品的升级提供了很大的方便。关键词：PC104；超声检测；程控；嵌入式系统ABSTRACT With the development of the technologies of micro-electronics, computers, and embedded system , and the application of them in project measuring, the new ideas of design and the new model of realization appear now, which break through the conventional pattern. This topic design is the application supersonic pulse examination technology to the concrete, the rock ceramics and so on the nonmetallic material and the component carries on the lossless examination the intellectualized instrument, provides the function formidable portable microcomputer systematic, the large screen liquid-crystal display and the lithium battery, its collection ultrasonic wave launch, the synchronization accept, digital signal high speed gathering, the sound parameter automatic detection, data analysis processing, finally the real time display and the data storage and the output function in a body.Firstly, this thesis has introduced the interrelated theory of ultrasonic testing and the domestic and foreign research present situation.the thesis also introduced each module of hardware in detail and software design flow chart.The receiving circuit adopts programmable gain amplifier and filter, enables the instrument to realize the automatic filter and the automatic adjusting enlargement factor according to the echo signals different amplitude and frequency; Having AC and DC power supply modes, the system can satisfy different situation; Having adopted the big screen TFT LCD,caused the tested wave displaying intuitively;Having designed the toucher ,which enables the system to have a human-computer interaction function, helps user operate facilely.Having diversified interfaces ,which convenient for father analyse and processing.contrasted with other instruments,the system has low height and good reconfiguration which convenient for upgrade of product.Keywords：The PC104 Ultrasonic detecting Programmable Embedded system目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 超声波检测的特点11.3 非金属超声检测仪国内外现状和发展趋势21.3.1 关于非金属超声检测仪21.3.2 国内外研究现状和发展趋势2第二章 本论文相关理论及技术简介42.1 PC104的简介42.2 超声波检测的基本原理52.2.1 声波的传播规律52.2.2 声波在混凝土中的传播特点82.2.3 声波透射法检测中的声波102.2.4 声波检测的过程10第三章 系统的硬件设计123.1 总体设计123.2 系统的各模块设计133.2.1 便携式微型计算机系统133.2.2 高压脉冲发射与控制系统153.2.3 程控放大衰减系统203.2.4 同步电路243.2.5 高速数据采集系统253.2.6 电源电路26第四章 系统的软件设计304.1 Windows CE.net平台主要开发工具介绍304.2 应用程序开发334.3 软件设计36第五章 结论与展望48致 谢50参 考 文 献51 53 第一章 绪论1.1 引言随着现代化建设步伐的加快，人们生活水平不断提高，国家对基础设施的投入也越来越大，高速公路、大型桥梁、高层建筑、水利水电等设施到处大量兴建。这些建筑物的质量，无论是对人民的生命财产，还是对国民经济来说，都是十分重要的，而对建筑物的所有要求中，安全性是第一位的。近年来，灾难性的桥梁断裂，房屋倒塌事故主要也是由于在设计施工中出了问题，加上对成桥的维修保养不力，出现了诸如混凝土内部空洞、离析，钢筋锈蚀、预应力钢筋失效、梁体受力部位开裂等病害，加强对这些设施的监控和检测，成为迫切需要解决的问题，无损检测是防止这类恶性事件发生的重要手段；另一方面，对旧有建筑物的维修和保养非常困难，并且要耗费大量的资金，无损检测技术的应用使维修保养大大减少盲目性，从而大大节约这项开支。建筑工程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够用来估计建筑材料和结构的性质和性能，并能对其内部含水量、缺陷和损伤进行测量和定位，还能用来确定建筑材料和结构内部的预应力元件的位置，避免在打洞时发生意外的损伤。总之，建筑工程无损检测技术能够以低成本、高效率的方式，起到监督、诊断和测量的作用，对评价和保障建筑物的安全性，保护和保养珍贵的古建筑起到非常重要的作用。从某种意义上来讲，无损检测可以作为衡量一个国家工业和经济发展的水平，以及科学技术发展水平高低的标志之一3。工业上已经广泛应用的五大常规无损检测方法有射线检测法、超声检测法、磁粉检测法、电磁感应探伤法和浸透探伤法等。超声波检测是无损检测中发展最快、应用最广泛的无损检测技术，占有非常重要的地位。超声检测法是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏性地探测材料内部和表面的缺陷（如裂纹、气泡、夹渣等）的大小、形状和分布状况及测定材料性质。它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。随着现代工业的高速发展，对超声波检测技术和检测设备提出了越来越高的要求，超声波检测技术在电力、航空航天、石化、军事、工业制造、医疗等领域被广泛的采用，用来诊断和判别检测对象的情况，在经济和安全上起着至关重要的作用4。1.2 超声波检测的特点超声波实质是以波动的形式在弹性介质中传播的机械振动，其物理实质是能量的传递过程，一般其振动频率在20KHz以上。超声波检测也叫超声检测、超声波探伤，是无损检测的一种。超声检测常用的工作频率在0.45MHz，较低频率用于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。对于某些特殊要求的检测，工作频率可达1050MHz。近年来随着宽频窄脉冲技术的研究和应用，超声探头的工作频率，有的已经高达100MHz。超声波检测法的优点主要有5：1） 超声波具有良好的方向性超声波的频率很高，波长很短，通常所使用的超声波，波长是毫米的数量级。它具有良好的方向性，频率越高，方向性越好，可以定向发射，这对判定被检测材料中的缺陷位置十分重要。2） 超声波的能量高声波所能传送的能量与频率的平方成正比，而超声波的频率很高。因此超声波的能量远大于普通声波的能量。这就保证了超声波在传递中始终保持相当的强度，而不会出现因为衰减而造成的无法判别回波信号的问题。3） 具有良好的几何特征超声波的传递具有一些几何光学的特点，在同一介质中是直线传输，在介质的界面会发生折射，反射和波形转换等现象，这对缺陷的精确定位提供了可能。4） 适应性强超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉，可即时得到探测结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在线检查。1.3 非金属超声检测仪国内外现状和发展趋势1.3.1 关于非金属超声检测仪非金属超声检测分析仪是应用超声脉冲检测技术对混凝土、岩石、陶瓷、石墨、塑料等非金属材料和构件进行无损检测的智能化仪器。它主要是通过测取被测介质的超声脉冲波的声传播时间以及超声脉冲波的首波波幅，同时记录经被测介质传播后的波形，并通过一定的数据分析处理来达到分析与推断被测介质质量（如强度、结构内部缺陷和裂缝、匀质性、损伤层厚度、混凝土基桩完整性）和声学参数的目的。1.3.2 国内外研究现状和发展趋势超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。非金属超声脉冲检测技术在国际上始于二十世纪40年代后期。随着检测技术研究的深入和发展，仪器设备的更新和技术水平的提高，这项测试技术在世界各国得到普遍推广和应用，许多国家及国际学术团体都先后制定了混凝土超声检测规程、方法或建议。如美国的ASTM、英国的BSI均已颁布或正准备颁布有关标准，其中以 ASTM所颁布的有关标准最多，这些标准有 硬化混凝土射入阻尼标准检验方法(C803-82)、结构混凝土抽样与检验标准方法(C823-83)、硬化混凝土回弹标准法(C805-85)等。世界无损检测会议每四年举行一次，亚洲及欧洲等也有无损检测会议。2000年10月1521日，在意大利罗马召开了第15届世界无损检测会议，2000名代表出席了会议，99家厂商参展，大会共收到来自54个国家的773篇论文，其中土木工程无损检测的论文有39篇，是历届最多的，这说明国外非常重视土木工程的无损检测工作。我国已申请到第17届无损检测会议，今年将在上海召开，这对我国的无损检测将起到很大的促进作用7。我国从上世纪50年代开展此项技术的研究，60年代开始用于工程检测，后来在混凝土建设工程、岩体检测、工程地质、水文地质检测等方面有广泛的应用。从工程地上结构到地下结构的检测，从一般构件检测到大体积混凝土的检测，从单一的测强发展到测裂缝、缺陷、损伤层厚度、弹性力学参数等，应用范围不断扩大。超声脉冲检测技术的广泛应用，使得人们对超声仪有了越来越高的要求，即：仪器不仅能够具有实时动态的波形显示、声参量快速准确的自动测量和存储、检测数据的自动分析和处理等主要功能，而且应具有体积小、重量轻、携带方便、操作简单等特点。计算机技术、半导体技术、超大规模集成电路技术、液晶显示技术、触摸技术和信息处理技术的发展，也为超声仪的进一步发展提供了较为成熟的相关技术前提。数字化、智能化、网络化、微型化成为超声仪发展的主流方向。第二章 本论文相关理论及技术简介2.1 PC104的简介PC/104是一种工业计算机总线标准。 PC/104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。PC/104PLUS则与PCI总线相对应。 1） IEEE-996标准的延伸 第一块PC104产生于1987年，但严格意义的规范说明在1992年才公布，从那以后，对PC104感兴趣的人越来越多，当时就有125个厂家引进PC104规范生产PC104兼容产品。像原来的PC总线一样，PC104一直是以一个非法定标准在执行，而不是委员会设计制定的。1992年IEEE开始着手为PC和PC/AT总线制定一个精简的IEEEP996标准（草稿），PC104作为基本文件被采纳，叫做IEEE P996.1兼容PC嵌入式模块标准。 可见，PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。我们知道IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范，IEEE协会将它定义IEEE-P996.1，很明显PC104实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996，其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。 PC104与普通PC总线控制系统的主要不同是： 1.小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.63.8英寸，即9690mm； 2.堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性； 3.轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1-2瓦能耗。 2） 有二个方法使用PC/104模块： PC/104模块的扩展和应用是灵活的,有二种基本方法在设计的嵌入系统中使用PC104。 独立的模块堆栈：PC/104模块是自我堆栈式。这方式中，模块是被用作全兼容的总线底板,但是不需要背板和插槽叠成的。每个模块留出0.6英寸间距。作为高度集成的元件使用：在这方式下,模块作为用一个高度集成元件，插入一个定制的母板上，母板上包含有应用接口和总线逻辑，它的自我堆栈方式，可在一个位置上安装几个模块。这种方式允许在系统调试或者测试时，临时更换模块，同时有利于我们将来的产品升级或者更换选件。 2.2 超声波检测的基本原理2.2.1 声波的传播规律在弹性介质内某一点，由于某种原因而引起初始的扰动或振动时，这一扰动或振动将以波的形式在弹性介质内以波的形式传播，形成弹性波。声波是弹性波的一种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。 1 波的分类图2.1 纵波传播示意图根据介质中质点的振动方向与波的传播方向的差别可将其分为若干种，如纵波、横波、表面波、兰姆波、扭转波等。但根据运动学的叠加原理，任何复杂的波动都可以看成是纵波和横波的叠加。因此，纵波和横波是基本的机械波。1） 纵波介质质点的振动方向与波的传播方向平行的波称为纵波，又称为P波。纵波的传播是依靠介质时疏时密的局部容积发生变化引起压强的变化而传播的，因此和介质的体积弹性相关。任何弹性介质都具有体积弹性，所以纵波可以在任何介质中传播。图2.1为纵波的传播示意图。2） 横波 图2.2 横波传播示意图介质质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波，又称为S波。横波的传播是依靠使介质产生剪切变形(局部形状变化)引起的剪应力变化而传播的，它和介质的剪切弹性相关。由于液体、气体形状变化时，不能产生抗拒形变的剪应力，因此，液体和气体不能传播横波，只有固体才能传播横波。图2.2为横波的传播示意图。2 声波在两种介质面上的传播规律声波在介质中传播的过程中，遇到与原介质阻抗不同的障碍物时，在两种介质面上声波的传播规律、声波能量的分配都将发生变化。这种变化的规律依赖于声波波长和障碍物尺寸的比率、两种介质的特性以及声波的入射角度。如果障碍物尺寸远大于波长，声波将在两种介质的界面处发生反射、折射等现象。如果障碍物尺寸与波长相近，将发生显著的绕射现象。如果障碍物尺寸小于波长，声波的大部分能量绕过障碍物，少部分能量向障碍物四周散射。混凝土等非金属材料是一种多种材料的聚合体，在其内部存在多种声学界面，声波在其中的传播是一个非常复杂的声学现象，研究声波在异质界面上的传播规律对于混凝土等非金属材料质量的声波检测具有重要意义。当两种介质的界面尺寸远大于声波波长时，声波在介质面上将发生反射、折射和波形转换。1） 波的反射声波从一种介质传播到另外一种介质时，在界面上有一部分能量被界面反射，形成反射波。入射波波线和反射波波线与界面法线的夹角分别为入射角和反射角，入射角的正弦与反射角1的正弦之比，等于波速之比，即： (2.1)当入射波和反射波的波型相同时，V1V1，所以有：=1 (2.2)2） 波的折射声波的部分能量将透过界面形成折射波,折射波线与界面法线的夹角为折射角。入射角与折射角的正弦比，等于入射波在第一种介质中的波速与折射波在第二种介质中的波速之比，即： （2.3）3） 反射率反射波声压与入射波声压之比，称为反射率，即： (2.4)的大小与入射波角度、介质声阻抗率及第二种介质的厚度有关，当第二介质很厚时， （2.5）式中： 第一种介质阻抗 第二种介质阻抗如果声波垂直入射，即时，式（2.5）可简化为： （2.6）如果第二种介质为薄层， （2.7）式中： 声阻抗之比，即 波长 第二种介质的厚度4） 反射系数发射声强与入射声强之比，称为反射系数，即有 （2.8）若为垂直入射，即，则 （2.9）5） 透过率透过声压与入射声压之比，称为透过率，即： （2.10）当第二介质很厚时， （2.11）若为垂直入射，即，则 （2.12）当第二介质为薄层时， （2.13）6） 透过系数透过声强与入射声强之比，称为透射系数，即有 （2.14）垂直入射，即时， （2.15）2.2.2 声波在混凝土中的传播特点前述关于声波原理的论述，大多是以各向同性的均匀弹性介质为基础的，而实际上绝大部分材料是非均匀介质。混凝土实际上近似于一种砧弹性材料。在混凝土的声学检测中，我们研究的对象混凝土实际上是一种集结型复合材料，是多相复合体系，其内部存在着广泛分布的复杂界面，例如，砂浆与骨料的结合面、各种缺陷所形成的界面。因此，超声波在混凝土中的传播状况要比在均匀介质中的传播复杂的多。超声波在混凝土中的传播状况有以下几个方面的特点6： 1） 衰减较大混凝土材料具有粘塑性，当超声波穿过混凝土时将引起能量衰减，是部分超声波被转换成其他能量而损失，即所谓吸收衰减;混凝土中存在广泛的异质界面，当超声波到达界面会产生散射现象，从而产生散射衰减，散射功率的大小与超声波频率的平方成正比。因此，为了使声波在混凝土中的传播距离增大，往往采用比金属材料探伤中所采用的频率低得多的超声频率，频率低的波扩散角很大，波束扩散，单位面积上的声能随传播距离的增大而减小，产生扩散衰减。2） 指向性差混凝土中声波指向性较差的原因主要有两个方面： 1.使用的声波频率较低，波长较长，扩散角较大一般较大，超声波失去指向性。主波束扩散角与换能器直径D和波长的关系可近似表示为： （2.16）对常用的换能器探头，D4cm，当D=1.22，即当采用137KHz超声波时，角达90，这时由发射换能器进入混凝土内的超声波实际上是以换能器为中心的球面波，超声波失去指向性，其声场占据整个试件空间。 2.混凝土内存在众多的声学界面而导致出现许多反射波和折射播波，虽然这些波的声强比入射波低，但是由于数量众多，而且彼此相互干涉和叠加，因而造成较大的漫射声能，也使波的指向性变差。3） 波的传播路径复杂波线往往因界面的反射和折射而曲折，因此，当声波在混凝土中遇到较大缺陷时，并非直线传播。4） 在混凝土的超声检测中一般采用产生纵波的发射超声换能器，当超声一种介质入射到另一种介质时，声波能量在界面上要发生转化，因为混凝土种成分极为复杂的非均匀性物质，所以即使入射波为单一纵波，也会通过在介质界面上的波形转换产生横波。另外一部分声波会沿着混凝土表面传播形成表面波，在无限介质中纵波、横波和表面波的速度关系如下所示： (2.17) (2.18)式中：VR为表面波波速。一般固体，介于00.3左右，1.14，混凝土的在0.20.3左右,=1.631.87,因为VR0.9VS，所以VP（1.82.0）VR。所以在接收通过混凝土的超声波时，首先接收到的首波为纵波，其后是纵波的余振波，横波和表面波的叠加。所以经混凝土介质特性调制后，在在混凝土超声场所及空间内的任何一点，都存在着一次声波(即入射波)及二次声波(即反射波、折射波和波形转换后的横波)。换能器的接收信号是一次声波和二次声波的叠加。所以直接穿越的一次声波所走的距离较短，首先到达接收换能器，但是由于衰减作用往往波幅较低。二次波经过多次反射所走距离较长，其中横波波速较慢，它到达的时间要比一次波滞后，但由于相互的叠加，使接收信号变大，而且使波形畸变。声波在混凝土中的传播过程是非常复杂的，混凝土内部的缺陷、骨料与水泥砂浆构成声学界面的数量和空间分布也是随机的、多样性的，很难找到合适的力学模型进行模拟。因此，对声波在混凝土中的传播机理目前还只是停留在定性的水平上。2.2.3 声波透射法检测中的声波在非金属材料的无损检测中使用的声波是脉冲声波，它是由声源间歇发出的一组组声波，介质中各质点作间歇的脉冲振动10。1） 脉冲声波的特点1.每次发射的持续时间短，重复间断发射。2.声脉冲经频谱分析后具有众多的频谱成分，因此声脉冲是一种复频波(多种频率成分的余弦波叠加而成的声波)，其主频就是声波换能器的标称频率。2） 脉冲声波在介质中的传播特征脉冲声波的上述特点决定了它在介质中的传播比单频连续波复杂，具有如下特征：1.频波在介质中的频散现象造成声脉冲的畸变。不同频率的余弦波在介质中传播时具有不同的传播速度，一般高频快，低频慢，这种现象称为频散。频散现象必然导致声脉冲在介质中传播时，与距离的增加而发生畸变。2.波在介质中的频漂引起声脉冲的畸变。声脉冲在介质中传播时，由于各种频率成分的衰减不同，频率高的成分比频率低的成分衰减大，因此脉冲频谱将发生变化，主频将向低频漂移，造成声脉冲波形的畸变，这种现象称为频漂。声脉冲主频的漂移程度，也是介质对声波衰减作用的一个表征。2.2.4 声波检测的过程 声波检测技术，是应用频率在几百赫的弹性波，对非金属材料，例如岩体、岩石、混凝土构筑物、木材等进行力学性能及内部结构，不连续结构面、缺陷进行检测的一门较新兴的检测技术。在机理上它与浅层地震勘探一样，但由于使用的频率较高，仪器的计时精度在微秒级，因而有较高的分辨能力。在岩石试件，混凝土试块测试时使用的频率可达几百KHz，测试精度高达0.05s。 声波检测是工程物探的手段之一。在解决复杂的工程地质勘察和岩土工程施工质量检测中，不断发展归结起来的检测过程可用图2.3的框图来说明。图2.3 声波检测过程第三章 系统的硬件设计3.1 总体设计 本系统硬件平台总体框图如图3.1所示，其工作原理是程控直流升压电路在PC104板卡控制下根据需要输出高压脉冲信号，通过发射换能器变换成超声波信号并传入被测介质；接收换能器接收通过被测介质的声波信号并转换为电信号，将信号进行放大、衰减、滤波等处理后送给数据采集电路进行高速采集。数据采集电路将采集得到的数字信号发送给系统进行分析处理，得出被测对象的声参量和缺陷分析，并将处理得到的数字信号和波形信号动态实时地显示在液晶显示器上。此外，仪器内的数据文件可方便地通过RS232接口传输至用户计算机中，可通过配套的Windows平台下的分析处理软件进行更详细的分析处理8。图3.1 非金属超声检测分析仪的原理框图主要由高压脉冲发射系统、程控放大衰减系统、数据采集系统、专用微机系统、电源系统、I/O接口系统六部分组成。1） 高压脉冲发射系统超声波的产生是通过对发射换能器施加一定电压激励脉冲，使发射换能器的压电晶体产生振荡来实现，超声脉冲波辐射的能量与激励的脉冲电压直接相关，脉冲电压越高，发射的脉冲超声就越强，如果要产生能量足够大的超声波信号，需要对发射换能器加很高电压的激励脉冲。本系统根据用户的需要，在PC104模块的控制下产生PWM波，控制高压模块分别实现500V、1000V、1500V高压的输出。2） 程控放大衰减系统采用宽带、低噪声的放大器件和低阻抗、低噪声的继电器，并配合使用精确的衰减网络和滤波网络，构成宽增益、宽频带、低噪声的程控放大系统。通过对输入信号进行调理，满足后续采集电路量程的要求。3） 高速数据采集系统采用双通道、分辨率为12位、采样速率为20MSPS、3.3V供电电压的高速AD器件，组成高精度、低功耗的数据采集系统。4） 专用微机系统专用微机系统是整个系统的控制核心，它由基于PC104总线的CPU板卡构成专用微机系统，然后在此平台上实现WinCE操作系统上的移植，以及应用程序的开发，在操作系统的管理下实现数据的采集、显示、分析、输出等功能。5） 电源系统为了解决部分功能电路相互干扰的问题，利用带隔离的DCDC电源模块实现各种电压的输出，在系统中提供+5V、-5V、+12V、-12V，发射+12V、背光+5V、3.3V电压。6） IO接口系统采用大规模可编程逻辑阵列FPGA/CPLD，构成I/O接口系统，实现数据采集系统与PC104之间的无缝连接，总线切换、程序控制功能等。 利用五线式电阻触摸屏实现各种参数的输入与控制，采用工业级的104寸TFT LCD满足波形动态实时显示以及高对比度的要求。为了实现对仪器数据的后续处理、打印以及升级需要，设计了RS232和USB通信接口。其中RS232接口用来实现和上位机通讯，USB用来实现打印、升级，也可与上位机进行通讯。3.2 系统的各模块设计3.2.1 便携式微型计算机系统本系统的便携式微型计算机系统由盛博公司SCM-7020（PC/104 模块）构成，它是一款 “all-in-one” CPU 模块，它在板集成了10/100Base-T以太网接口及高性能图形处理器。采用X86 兼容的64 位第六代处理器，最高运行速度可达300MHz，在板内存支持最大128M 3.3V SDRAM。图形处理器可支持各种LCD 及TFT 显示屏，最大4M 显存、最大支持至1280*1024、1670万种颜色，同时在板支持PS/2 键盘、PS/2鼠标、IDE 接口、Floppy 接口、两串一并接口、USB、以太网接口以及Watchdog timer。性能特点：l X86兼容64位微处理器，支持MMXTM指令集扩展，速度高达300MHzl SVGA显示接口支持CRT及TFT最大4M共享显存，最大分辨率可达1280*1024，1670万种颜色l 在板内存最大可达128Ml 16KB L1 回写缓存l 支持PS/2键盘及鼠标l 支持软驱、IDE硬盘l 两串一并接口l USB1.1接口l 在板10/100BaseT以太网接口l 16位PC/104总线图3.2给出了板上的接口连接器和配置跳线的位置。表3.1列出板上连接器的用途。图3.2 SCM-7020 机械尺寸及跳线图(单位：英寸)表3.1 连接器的用途连接器功能尺寸Key PinPC104AB1PC/104扩展总路线64-PinB10PC104CD1PC/104扩展总路线40-PinC19J1电源4-PinNoneKBMS1多用接口10-PinNoneCOM1串行口110-PinNoneCOM2串行口210-PinNoneLPT1并行口26-PinNoneFDD1Floppy接口26-Pin FFCNoneCRT1CRT 接口10-Pin10PL1保留14-Pin-RJ1ETH/USB 接口10-PinNoneRJ3保留10-Pin-PIDE1IDE 接口44-Pin(2mm)20LCD1平板显示接口40-Pin(2mm)30J2保留2-Pin-J3保留5-Pin-J4保留2-Pin-3.2.2 高压脉冲发射与控制系统信号发射部分包括发射电路和发射换能器。发射电路的任务是产生高频脉冲波，用来激励探头产生超声脉冲。探头由超声波换能器组成，负责将电能转变为机械振动向被测介质发送。本系统采用的是收发分开的探头，这样可以减少发射余震信号的影响，即可减小盲区。针对不同的探测要求，探头可以更换9。1 超声换能器图3.3 增压式换能器换能器，是能量转换的器件。声波换能器从广义上来讲，应是把声能转换成其它能量，并可互换的器件，声波换能器是声波检测的重要部件。从表3.2可见,不同测试如使用不同图3.5 平面型换能器图3.4 朗之万型换能器型式的换能器,其性能将会影响检测结果。用压电换能器发射与接收是混凝土及岩石检测的主要测试方法。本文主要讲述压电换能器。常见的换能器有以下几种：l 径向增压型(图3.3)l 朗之万型(夹心式)（低频）(图3.4)l 平面型（高频）（图3.5）l 一发双收型l 横波型以上各种换能器各自用在不同的场合。衡量压电型换能器性能的技术指标有很多，现在主要研究的是“频率特性”、“首次波比”和“指向性”。表3.2 各类换能器比较换能器类型谐振频范围(KHz)阻抗范围（）指向性首次波比耦合方法适应的测试方法夹心式10-50几至十几无 1黄油或凡士林表面及平面测试增压式25-351000左右无 1水钻孔中跨孔测试圆管式一般为20-401000-2000左右无径向指向性，长度大时有轴向指向性优质品可接近1水钻孔中跨孔测试一发双收30左右无优质品可接近1水钻孔中单孔测试单片弯曲振动式5-20无 1黄油或凡士林表面及平面测试高频换能器100-100010左右无优质品1黄油或凡士林岩样测试横波换能器40-400无1700V，BVceo1700V。由于超声探测的对象是极不均匀的，其结构是相当复杂的，其吸收衰减系数可达十多分贝，因而要求有足够大的发射脉冲功率。发射电路采用非调谐式脉冲发射电路，其发射频率由超声换能器本身频率决定。其电路如图3.9所示。图3.9 发射电路 当CPLD的SEND_CON脚输出一个占空比很小的矩形脉冲，经光电耦合器隔离后到射极跟随器的进行电流放大加到功率放大器基极，于是功率三极管导通，电容C261开始放电，激励发射换能器发射超声波信号。时间常数等于2.2倍R与换能器的静态电容之积，发射脉冲宽度要小于该值，R281为阻尼电阻，其值越大阻尼越大。功率三极管选用TOSHIBA 公司的2SC5243，其反相击穿电压为1700V，满足发射电压1500V的要求。由于探测距离不同，所以要求发射电压可调。 3 程控升压电路设计根据发射电路可知，如供电越大，其电脉冲功率将越大。为了满足不同的测试距离，共设计了500V、1000V、1500V三个等级的高压输出。从可靠性和抗干扰性出发，高压的产生采用模块来实现，该模块采用天津市恒博高压电源厂生产的高压模块，12V输入，01500V、10mA输出，外接电位器或05V控制。高压控制电路如图3.10所示。图3.10 高压控制电路该模块的控制信号取自于CPLD，在CPLD内部构造一个控制器，利用三个引脚控制输出不同电压的输出，当引脚电压为高电平时有效，这由用户在操作界面中根据需要设置。表3.3为输出高压所对应的引脚。表3.3 高压与引脚对应关系高压输出CPLD引脚500VHV5001000VHV10001500VHV15003.2.3 程控放大衰减系统1 限幅电路限幅原理如图3.11所示。由两个二极管构成正负12V的输入限幅电路，当采集到的输入电压在正负12V之间时，输出信号跟随输入信号变化。当输入电压高于12V时，输出电压被限制在12V，或者当输入电压低于负12V时，输出电压被限制在负12V。3.11 输入限幅电路为了使输入信号得到更好的调理，使之满足AD量程的需要，在探头和前置放大器之间设计了程控衰减电路。由于继电器具有导通电阻小等特点，程控衰减器是由继电器来实现的，当控制信号ATTE_A为高电平时，由R100和R104组成的衰减电路使输入信号衰减10倍，当其为低电平时不衰减。电路如图3.12 所图3.12 输入限幅和程控衰减电路示2 程控滤波 为了得到更高的信噪比，由前置放大电路输出信号送入程控滤波电路进行滤波。用有源元件和无源元件(一般是R和C)共同组成的电滤波器，称为有源滤波器。集成有源滤波器不但从根本上克服了R、L、C无源滤波器在低频时存在的体积和重量上的严重问题，而且成本低、质量可靠及寄生影响小。和无源滤波器相比，它的设计和调整过程较简便，此外还能提供增益。因受运算放大器带宽的限制，这类滤波器仅适用于低频范围，根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。具有理想特性的滤波器是很难实现的，只能用实际特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大平坦响应和切比雪夫等波动响应，在不允许