基于STCl2C5410AD單片機的四通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)設計
加入技術(shù)交流群
2．3 同步采樣電路
在聲發(fā)射檢測中，判別一個聲發(fā)射信號是否產(chǎn)生的基本條件之一是聲發(fā)射信號的門限電壓，當信號高過聲發(fā)射信號的門限電壓時，則認為一個聲發(fā)射事件產(chǎn)生。在本系統(tǒng)中設置電壓比較器，檢測強烈的聲發(fā)射信號時，電壓比較器的基準電壓就是聲發(fā)射檢測中的門限電壓。系統(tǒng)中四路獨立的聲發(fā)射信號經(jīng)過放大濾波后即可進入電壓比較器LM239。LM239有四個獨立的電壓比較器模塊．當信號進入各自的電壓比價器模塊后，即可與門限電壓相比較。當信號高于門限電壓時，則判定聲發(fā)射信號到來，此時電壓比較器的輸出為高。
由于聲波在鋼板中的傳播速度較快(典型的傳播速度為3000 m／s)，如果由一個中央處理單元控制多個通道的指令時間不夠快的話，就會造成數(shù)據(jù)采集的不同步。本文采用“優(yōu)先到達同時觸發(fā)四路AD同步采集”的設計方案。
在四個傳感器中，優(yōu)先接收到聲發(fā)射信號的通道亦是優(yōu)先使該通道電壓比較器的輸出為高電平的通道，故可以把此通道的高電平信號同時送到四個單片機的外部中斷，然后啟動四個單片機的片內(nèi)AD同時對四個通道的聲發(fā)射信號進行采集。這樣就從根本上避免了在程序中由于指令執(zhí)行時間以及其它內(nèi)部因素的延遲影響，對多通道數(shù)據(jù)采集造成的不同步、采集遺漏或采集不完全等問題。其同步采樣電路如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/173359.htm
2．4 數(shù)據(jù)通訊
本系統(tǒng)的信號采集通訊部分分為下位機的，SPI多單片機組成的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和主控單片機與上位機通訊兩部分。
STCl2C5410AD單片機自帶SPI通訊接口，且內(nèi)置8位移位寄存器，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_，并可簡化電路設計，提高設計的可靠性。
本設計中設置的四個信號通道中的四個單片機均為從單片機，它們由主控單片機控制，可通過從機選擇線來選擇需要通訊的從單片機。四個從單片機可公用主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI、以及時鐘SPICLK總線。同時它們可將采集的數(shù)據(jù)保存在各自從單片機的寄存器中，以便主控可以利用SPI總線取出各個從單片機中的數(shù)據(jù)，這樣就由SPI總線構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。
與上位機的通訊可采用串口通訊的方式，并通過串口通訊設計把計算機與單片機聯(lián)系起來，然后將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接嬎銠C中，
最后由上位機發(fā)口令，再由主控單片機將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接嬎銠C中。
3 實驗與仿真
聲發(fā)射的信號可采用硬度為HB的鉛筆芯折斷的信號進行模擬。鉛筆直徑西為0．5 mm，其鉛芯伸出長度約為2．5 mm，與鋼板表面夾角為30°左右。
聲發(fā)射信號來自缺陷本身，同樣大小和性質(zhì)的缺陷，由于所處的位置和應力的狀態(tài)不同，所以它的聲發(fā)射信號也會有差別。實驗中，在固定傳感器位置不變的情況下，在同一個點多次將鉛筆芯折斷，觀察信號的狀態(tài)，最終選擇了聲發(fā)射模擬信號出現(xiàn)較為頻繁的情況作為聲發(fā)射模擬信號的狀態(tài)，本文采用STC12C5410AD單片機，它是具有8個lO位100 ksps的AD，完全滿足采樣定理，而且片內(nèi)自帶SPI總線，故可進行多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的試驗。
試驗采用壓電陶瓷片作為聲發(fā)射信號傳感器，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、靈敏度高等特點。壓電陶瓷對外力敏感，并可將極其微弱的機
械振動轉(zhuǎn)換成電信號。
針對聲發(fā)射信號的特點，本實驗選擇的基板材料為黃銅，諧振頻率為20 kHz，電容量為20 nF的壓電陶瓷片作為聲發(fā)射模擬信號的換能器，可以滿足鉛筆芯折斷信號的接收要求。
本實驗選擇了兩通道的數(shù)據(jù)采集，在厚度為10 mm的鋼板上又間隔的分布了兩個傳感器，然后折斷鉛筆芯，并在上位機分別選擇通道一和通道二，再將兩個通道的數(shù)據(jù)分別上傳到上位機，并利用MATLAB將采集的數(shù)據(jù)表示成波形。這樣，就可以看出聲發(fā)射模擬信號的幅值隨時間的變化有所衰減，從而證明了彈性波在傳播過程中的能量衰減。同時，在傳感器2的位置還出現(xiàn)了彈性波的干涉現(xiàn)象，這正是彈性波的縱波和橫波相繼到達換能器2所造成的。圖4所示是信號采集的波形仿真圖。
4 結(jié)束語
本文根據(jù)聲發(fā)射的特點，利用聲發(fā)射的聲源定位方法，提出了一種多通道數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)的設計方法。通過大量實驗證明，本設計具有數(shù)據(jù)傳輸快、定位準確等特點，能夠達到聲源定位的要求。
評論