基于ARM的PWM模塊的超聲波檢測系統的設計

　　所研制的電路板可激發探頭產生0.5～10 MHz的超聲波，激勵脈沖電壓最高可達830 V，脈沖的上升時間小于50 ns。

　　3 基于ARM的PWM脈沖的產生

　　ARM嵌入式處理器是具有極低功耗、極低成本的高性能處理器，運算速度快、精度高，而且便于實時操作系統的移植，真正成為實時多任務系統。S3C2440A內嵌PWM脈沖模塊含4通道16位定時器，占空比、頻率、極性可編程，且具有自動重載和雙緩沖功能。主頻FCLK最高達400M-Hz，APB總線設備使用的PCLK最高達68 MHz。具體過程為：首先，開啟自動重載功能，對PWM脈沖的各個參數通過PWM寄存器進行設置，如定時器配置寄存器(TCFGn)，定時器控制寄存器(TCON)，定時器計數緩存寄存器(TCNTBn)，定時器比較緩存寄存器(TCMPBn)，定時器計數觀察計數器(TCNTOn)等的設置。其次，設置相應定時器的手動更新位，然后設置開始位，在等待時間后定時器開始倒計數，當TCNTn和TCMPn的值相同時，TOUTn的邏輯電平由低變為高。當TCNTn為0，TCNTn用TCNTBn的值自動重載。如果要重新設置TCNTn的初始值，則要執行手動更新。

　　通過使用TCMPBn來執行PWM功能，PWM的頻率由TCNTBn來決定。雙緩沖功能允許對下個PWM周期在當前PWM周期任意時間點由ISR或其他程序改寫TCMPBn。

　　4 高壓電源及其控制

　　超聲波發射電路對激勵電壓脈沖要求較高，需要一定的幅值，而且脈沖寬度要求越小越好，且須有一定的發射功率，這決定了超聲波探傷的靈敏度，還關系到工件探傷的深度。如果要穿透較厚的工件，就需將較大的電功率轉換成聲功率。發射功率為：

　　式中，uA0為電容放電時的瞬間電壓，C為電容容量，t為放電時間，

為有效功率。

　　當放電時間常數確定后，放電時間和C即確定。所以加大發射電壓是提高發射功率的主要途徑，由放電電壓公式可知，除電路中的各個電阻影響外，高壓電源的電壓是一個主要因素。但電壓又不能太高，否則會使壓電晶片加速老化。一般發射電壓不超過1 800 V。

　　這里采用美國Ultravoh公司的高壓電源模塊。其中“V”系列的型號為1V12-P0.4電源模塊，能完全滿足該設計的需求，其輸入電壓為12 V，輸出電壓為0～1 000 V，控制電壓為0～5 V，功率為0.4 W。低功耗、體積小、重量輕，并帶有輸出電壓監測和自保護電路。高壓電源控制電路如圖3所示。

　　ARM微處理器輸出的控制信號經D/A轉換后可輸出0～5 V的控制信號V2，相應的高壓電源模塊即可輸出0～1 000 V的電壓。

　　5 仿真及分析

　　為驗證本設計是否能滿足實驗的需要，對電路進行軟件仿真。因為t=5τ1，約為500μs時認為充電電容充滿，所以把開關頻率設置為1kH-z。仿真結果如圖4和圖5所示。

　　圖4中，高壓電源輸出為725V，R1=10 kΩ，R2=100 Ω，C=0.01μF，得到的激勵脈沖約為600 V，寬度為600 ns。此脈沖滿足本設計中超聲波頻率為2.5 MHz時，探頭對激勵脈沖寬度的要求。

　　圖5中，當高壓電源輸出最大為1 000 V，R1=10 kΩ，R2=100 Ω，C=0.01μF時，得到的激勵脈沖約為830 V，寬度為600 ns。

　　由于帶充電電阻器的高壓直流電源效率不是很高，所以激勵脈沖的電壓也不能達到高壓電源的電壓。通過ARM微處理器發射不同頻率和占空比的控制脈沖，可以控制發射電路發射寬度和重復頻率可調的激勵脈沖。

　　6 結論

　　通過對發射電路工作原理以及各個元件作用的分析，得出了各個元件對超聲波所起的不同作用，以及ARM的PWM模塊如何對激勵脈沖寬度和重復頻率進行調制。經驗證。該電路發射的超聲波功率、脈沖寬度和重復頻率均可調。能滿足多種檢測需求。