基于STCl2C5410AD單片機(jī)的四通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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2．3 同步采樣電路
在聲發(fā)射檢測(cè)中，判別一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)是否產(chǎn)生的基本條件之一是聲發(fā)射信號(hào)的門(mén)限電壓，當(dāng)信號(hào)高過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的門(mén)限電壓時(shí)，則認(rèn)為一個(gè)聲發(fā)射事件產(chǎn)生。在本系統(tǒng)中設(shè)置電壓比較器，檢測(cè)強(qiáng)烈的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)，電壓比較器的基準(zhǔn)電壓就是聲發(fā)射檢測(cè)中的門(mén)限電壓。系統(tǒng)中四路獨(dú)立的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后即可進(jìn)入電壓比較器LM239。LM239有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器模塊．當(dāng)信號(hào)進(jìn)入各自的電壓比價(jià)器模塊后，即可與門(mén)限電壓相比較。當(dāng)信號(hào)高于門(mén)限電壓時(shí)，則判定聲發(fā)射信號(hào)到來(lái)，此時(shí)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(gè)中央處理單元控制多個(gè)通道的指令時(shí)間不夠快的話(huà)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)采集的不同步。本文采用“優(yōu)先到達(dá)同時(shí)觸發(fā)四路AD同步采集”的設(shè)計(jì)方案。
在四個(gè)傳感器中，優(yōu)先接收到聲發(fā)射信號(hào)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(hào)同時(shí)送到四個(gè)單片機(jī)的外部中斷，然后啟動(dòng)四個(gè)單片機(jī)的片內(nèi)AD同時(shí)對(duì)四個(gè)通道的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(shí)間以及其它內(nèi)部因素的延遲影響，對(duì)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(wèn)題。其同步采樣電路如圖3所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/173359.htm
2．4 數(shù)據(jù)通訊
本系統(tǒng)的信號(hào)采集通訊部分分為下位機(jī)的，SPI多單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和主控單片機(jī)與上位機(jī)通訊兩部分。
STCl2C5410AD單片機(jī)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?zhǔn)確，并可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的可靠性。
本設(shè)計(jì)中設(shè)置的四個(gè)信號(hào)通道中的四個(gè)單片機(jī)均為從單片機(jī)，它們由主控單片機(jī)控制，可通過(guò)從機(jī)選擇線(xiàn)來(lái)選擇需要通訊的從單片機(jī)。四個(gè)從單片機(jī)可公用主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線(xiàn)MOSI、以及時(shí)鐘SPICLK總線(xiàn)。同時(shí)它們可將采集的數(shù)據(jù)保存在各自從單片機(jī)的寄存器中，以便主控可以利用SPI總線(xiàn)取出各個(gè)從單片機(jī)中的數(shù)據(jù)，這樣就由SPI總線(xiàn)構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。
與上位機(jī)的通訊可采用串口通訊的方式，并通過(guò)串口通訊設(shè)計(jì)把計(jì)算機(jī)與單片機(jī)聯(lián)系起來(lái)，然后將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，
最后由上位機(jī)發(fā)口令，再由主控單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)按通道次序傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。
3 實(shí)驗(yàn)與仿真
聲發(fā)射的信號(hào)可采用硬度為HB的鉛筆芯折斷的信號(hào)進(jìn)行模擬。鉛筆直徑西為0．5 mm，其鉛芯伸出長(zhǎng)度約為2．5 mm，與鋼板表面夾角為30°左右。
聲發(fā)射信號(hào)來(lái)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(yīng)力的狀態(tài)不同，所以它的聲發(fā)射信號(hào)也會(huì)有差別。實(shí)驗(yàn)中，在固定傳感器位置不變的情況下，在同一個(gè)點(diǎn)多次將鉛筆芯折斷，觀(guān)察信號(hào)的狀態(tài)，最終選擇了聲發(fā)射模擬信號(hào)出現(xiàn)較為頻繁的情況作為聲發(fā)射模擬信號(hào)的狀態(tài)，本文采用STC12C5410AD單片機(jī)，它是具有8個(gè)lO位100 ksps的AD，完全滿(mǎn)足采樣定理，而且片內(nèi)自帶SPI總線(xiàn)，故可進(jìn)行多通道聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)的試驗(yàn)。
試驗(yàn)采用壓電陶瓷片作為聲發(fā)射信號(hào)傳感器，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、靈敏度高等特點(diǎn)。壓電陶瓷對(duì)外力敏感，并可將極其微弱的機(jī)
械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)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(hào)的換能器，可以滿(mǎn)足鉛筆芯折斷信號(hào)的接收要求。
本實(shí)驗(yàn)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(gè)傳感器，然后折斷鉛筆芯，并在上位機(jī)分別選擇通道一和通道二，再將兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別上傳到上位機(jī)，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(hào)的幅值隨時(shí)間的變化有所衰減，從而證明了彈性波在傳播過(guò)程中的能量衰減。同時(shí)，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(dá)換能器2所造成的。圖4所示是信號(hào)采集的波形仿真圖。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)聲發(fā)射的特點(diǎn)，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(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)傳輸快、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠達(dá)到聲源定位的要求。
評(píng)論