CN103776501A

CN103776501A - 一种基于dsp28335的超声波探头自动定位方法及装置

Info

Publication number: CN103776501A
Application number: CN201410056961.4A
Authority: CN
Inventors: 李跃忠; 熊永康; 胡开明
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-02-19
Also published as: CN103776501B

Abstract

本发明公开了一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法及装置，其特征在于：先将超声波探头的一端探头固定，另一端通过数字信号微处理器DSP28335控制电机驱动器电路A3977SED，初始化另一端探头的位置；上位机采用单片机MSP430F5438系统测量得到瞬时超声波传播时间值，并进行分析在什么位置得到的是最小值；通过下传给DSP28335控制步进电机的控制参数，从而确定另一端探头的具体位置，解决因为流速测量范围宽而带来的超声波传播轨迹非线性变化的影响，减小瞬时超声波传播时间测量值偏差问题，从而得到精确的超声波流速测量值。本发明采用电机推动探头定位代替手动安装，微位移精度可达10um，能够解决探头安装过程中多种误差问题，为超声波流量计测量的准确提供保证。

Description

一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法及装置

技术领域

本发明属于测量测试技术领域，涉及一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法及装置，适用于外夹式超声波流量计的探头安装与固定。

技术背景

传统的超声波探头定位采用的方式是手动安装，通过提前计算好安装位置采用高精度测量工具进行安装。一方面采用手工安装不可避免存在误差，超声波流量计对探头安装位置要求高，细微的误差对实际的测速有很大的影响。另一方面随着工控的变化提前计算的安装距离未必为最佳安装距离，其结果也必然与真实值存在较大误差，导致流量计测不准。

现有技术中也有一些利用电机驱动定位的新技术，如《超声波自动检测系统》申请号:CN201220632438.8；探头调节装置包括相互垂直的X轴、Y轴和纵杆导轨及滑块。纵杆滑块、纵杆导轨和纵杆伺服电机的连接；又如《用于超声波探伤装置的位置调整装置》申请号:CN200820060098.X，包括一对超声波探头，还包括一探头小车；一对探头定位组件，左右移动地安装在小车上；所述探头上下移动地与定位组件转动连接，探头绕定位组件竖直轴线转动。其可实现串列式或K型检测，适用于大口径焊管焊缝、平板焊缝和圆柱形容器的周向焊缝、轴向焊缝的超声波自动探伤，有效提高工作效率及探伤准检复探率。不仅体积小、重量轻，而且稳定性高。以上技术中虽然采用利用电机驱动定位，但实际上是一种自动检测或探伤系统，并不是严格意义上的超声波探头之间的自动定位系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法及装置，用于精准的选好超声波探头安装位置，从而实现超声波流量计的有效测量。

本发明的目的技术方案是：（1）、采用步进电机连接丝杆推进超声波探头。（2）、选用高性能电机驱动器A3977SED驱动电机。（3）、使用数字信号处理器DSP产生可靠的、精确的控制信号。

本发明技术方案之一：

一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，先将超声波探头的一端探头固定，另外一端探头由手动或DSP微处理器初始化一个位置,通过上位机进行信号测量，并通过控制电机推动另一端探头实现安装位置选择后，再进行另一端探头固定；通过上位机测量得到的瞬时超声波传播时间值，进行分析在什么位置得到最小值，从而确定另一端探头的具体位置，用于解决因为流速测量范围宽而带来的超声波传播轨迹非线性变化，而造成的瞬时超声波传播时间测量值偏差问题，从而得到精确的超声波流速测量值。

优选：所述上位机采用单片机MSP430F5438，单片机MSP430F5438测量超声波信号强度和超声波传播时间值，数字信号微处理器DSP28335实现控制信号输出；再采用电机驱动器A3977SED精确控制电机运行；

所述电机采用步进电机，步进电机通过丝杆连接超声波探头实现定位。

所述步进电机选用最小步进角为1.8°的42步进电机；丝杆精度达到每1.8°电机角位移对应10um丝杆线位移；步进电机根据接收到的脉冲信号进行角位移再通过丝杆转换为对应的线位移从而推动超声波探头的移动。

所述驱动芯片A3977SED设置为全步模式，驱动信号的频率决定电机转速，脉冲的个数控制电机的步进角度；驱动芯片A3977SED为含有内置转换器和译码器的完整的微步电动机驱动器,内部具有用来改善PWM操作时功率消耗的同步整流控制电路并能自动地进行改善；只需输入一个脉冲即可驱动电动机一个步进，输出由 DMOS 的双 H 桥完成。

另一端探头实现安装位置选择的方式是根据超声波探头接收到的信号的强度来确定，准确的安装位置要求信号强度大于60%。

进一步优选定位方法：在待测管道上进行初始化的安装位置选择，将含有一端探头的外夹装置安装于管道的一侧并用螺钉进行固定；外夹装置采用两个平行的固定杆，再接着进行系统信号点的选择，通过上位机信号测量，控制电机移动选择另一端探头的安装位置，并通过外夹装置将另一端探头进行固定，安装完成：

（1）另一端探头实现安装位置选择的方式是根据超声波探头接收到的信号的强度来确定，准确的安装位置要求信号强度大于60%；超声波探头的安装距离根据其特定的阈值确定；数字信号处理器DSP根据单片机MSP430F5438检测的信号强度输出对应的脉冲，当信号强度偏低时采用较高转速方式扫描管道，当信号强度达到50%时即转换为低速运行模式。

（2）数字信号处理器DSP采用递增计数模式进行PWM脉冲输出，通过将周期寄存器TBPDR的初值减小以增加脉冲输出的频率，通过数字信号处理器DSP的EPWM1A端连接步进控制器电路A3977SED的CLK端和STEP端，并通过数字信号处理器DSP的GPIO16端连接步进控制器电路A3977SED的DIR端,通过GPIO17端连接步进控制器电路的EN(

)端分别控制电机的转向、启停；低速运行时亦然，区别在于周期寄存器初值较大；超声波流量计对两探头安装距离要求较高，高速和低速下电机的相对转速都较低，两个档位预先设定的初值都较大；

（3）控制实现过程为：通过该单片机MSP430F5438实现对超声波信号强度的测量：当信号微弱时单片机MSP430F5438发送搜索信号给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP控制电机进行高速循环扫描；到信号强度达到50%时，单片机MSP430F5438发送减速信号给数字信号处理器DSP控制电机进行低速运行，最终当信号强度大于60%时单片机发送停止信号数字信号处理器DSP控制电机停止。

本发明技术方案之二：

一种基于DSP28335的超声波探头自动定位装置，它包括超声波探头、外夹装置、步进电机和控制系统，

所述超声波探头分为两组；

所述外夹装置设有两组固定平行杆；

超声波探头与固定平行杆滑动连接并能通过固定件固定连接；其中一超声波探头通过丝杆与步进电机连接，该超声波探头与控制系统的接收信号连接；控制系统的控制信号与步进电机连接。

优选：所述外夹装置设有两组固定支架，两组固定支架之间连接设有固定平行杆A和固定平行杆B；每组固定平行杆上滑动连接设有一滑块，超声波探头安装在滑块上，各滑块上设有的固定件为螺钉。

所述步进电机安装在一组固定支架上，连接步进电机和超声波探头的丝杆与同一侧固定平行杆平行。

本发明的技术效果是：

（1）选用步进电机推动探头，可实现探头的精确微位移，解决了手动安装存在的误差，其微位移精度可达10um。

（2）A3977SED为高性能电机控制器，其控制简单且稳定性强，减少了电机控制步进的工作，简化了控制过程。

（3）采用DSP28335输出脉冲可实现精确脉冲控制，为系统的有效控制提供了保障。

（4）采用电机推动探头定位代替手动安装能够解决探头安装过程中多种误差问题，为超声波流量计测量的准确提供保证。

附图说明

图1是本发明自动导航超声波探头外夹装置结构示意图；

图2是本发明电机驱动硬件实现图；

图3是本发明系统的总体控制框图。

图1中详细说明了可实现的自动导航超声波探头外夹装置结构。图2中TMS320F28335控制A3977SED驱动步进电机。图3中根据信号的强度来选择电机的运行模式。

具体实施方式

实施例1：

外夹安装环节：如图1所示，该装置主要由超声波探头、外夹装置和电机相关部件组成。超声波探头分为AB两组：超声波探头A 3、超声波探头B 4；外夹装置对应也分为AB两组滑块：超声波外夹装置A 5、超声波外夹装置B 6；固定平行杆A 8、固定平行杆B 9；一个步进电机2；一个丝杆7。第一步要求是管道前十后五初始化安装位置，通过超声波外夹装置B固定超声波探头B并固定平行杆B于流量管道1。第二步装上超声波外夹装置A、超声波探头A、固定平行杆A、丝杆7和步进电机2。第三步进入控制环节，通过系统判断最佳安装位。第四步选定位置后通过超声波外夹装置A进行最后的固定，实现安装。

系统控制环节：如图2所示，单片机MSP430F5438系统完成超声波流量测量中的超声波传播时间测量，通过串口与数字信号处理器TMS320F28335进行通信。数字信号处理器DSP（数字信号芯片DSP28335）根据接收到的数据，输出不同频率的PWM脉冲送驱动芯片A3977SED的STEP端控制电机的转速，并通过与驱动器的EN、DIR端连接控制电机的启停和转动方向。图3为系统的总体控制框图，当数字信号处理器TMS320F28335系统上电初始化时初始化为步进电机正转, 数字信号处理器 MSP430F5438流量测量系统进行超声波传播时间测量,判断传播时间如果为逐渐变小，保持步进电机转向；如果变大，改变步进电机转向。判断超声波测量时间值为最小，即停止步进电机控制，确定了超声波探头的位置。

为提高304不锈钢管、PVC管和金属管等管道内气体流体流速测量测量范围，选用了外夹式气体超声波流量计结构。将一端探头固定于管道一侧，另一端探头通过步进电机控制其不同位置，通过系统测量得到的瞬时超声波传播时间值，进行分析在什么位置得到最小值，从而确定另一端探头的具体位置，从而解决因为流速测量范围宽而带来的超声波传播轨迹非线性变化，而造成的瞬时超声波传播时间测量值偏差问题，从而得到精确的超声波流速测量值。

选用的高性能电机控制器具有控制简单、抗干扰性强、适应性强等优点。通过高精度的丝杆推动探头可实现探头的精准定位。装置的外围电路较少，很好的解决了传统电机控制存在的干扰和误差叠加问题，保证了设备的稳定性。因此，选用最小步进角为1.8°的42步进电机实现丝杆转动，步进电机根据接收到的脉冲信号进行角位移再通过丝杆转换为对应的线位移从而推动超声波探头的移动，定制的丝杆精度可达到每1.8°电机角位移对应10um丝杆线位移。

采用驱动芯片A3977SED，其为含有内置转换器和译码器的完整的微步电动机驱动器,内部具有用来改善PWM操作时功率消耗的同步整流控制电路并可以自动地进行改善。只需输入一个脉冲即可驱动电动机一个步进，输出由 DMOS 的双 H 桥完成。本驱动芯片设置为全步模式，驱动信号的频率决定电机转速，脉冲的个数控制电机的步进角度。

采用DSP28335进行脉冲信号和控制信号的输出，DSP28335可选用的PWM输出多达18路，本系统中正是使用了其独立的PWM模块产生脉冲信号，并通过IO口控制电机的运行。

具体定位方法如下：

在待测管道上进行粗略的安装位置选择，将含有一端探头的外夹装置安装于管道的一侧并用螺钉进行固定。装置采用两个平行的固定杆达到探头处于一个水平位置的目的，接着进行系统信号点的选择，通过上位机信号测量控制电机移动选择最终好点实现另一探头的安装位置选择，并通过外夹装置将探头进行固定，安装完成。

一端固定好了的外夹式超声波探头如何确定另一端探头的安装位置，在本发明中采用的方式是根据超声波探头接收到的信号的强度来确定准确的安装位置（要求信号强度大于60%），超声波探头的安装距离有其特定的阈值（DN50管径是采用V法其两探头安装距离为35mm左右）。DSP根据上位机检测的信号强度输出对应的脉冲，当信号强度偏低时采用较高转速方式扫描管道，当信号强度达到50%时即转换为低速运行模式。

具体硬件实现体现为高速运行时DSP采用递增计数模式进行PWM脉冲输出，通过将周期寄存器（TBPDR）的初值减小以增加脉冲输出的频率，通过DSP的EPWM1A端连接步进控制器A3977SED的CLK(STEP)端，并通过DSP的GPIO16端连接步进控制器的DIR端、通过GPIO17端连接步进控制器的EN(

)端分别控制电机的转向、启停。低速运行时亦然，区别在于周期寄存器初值较大。超声波流量计对两探头安装距离要求较高，高速和低速下电机的相对转速都较低，两个档位预先设定的初值都较大。

系统控制环节：如图2所示，MSP430F5438系统完成超声波流量测量中的超声波传播时间测量，通过串口与TMS320F28335进行通信。DSP根据接收到的数据，输出不同频率的PWM脉冲送A3977SED的STEP端控制电机的转速，并通过与驱动器的EN、DIR端连接控制电机的启停和转动方向。图3为系统的总体程序框图，当TMS320F28335系统上电初始化时初始化为步进电机正转, MSP430F5438流量测量系统进行超声波传播时间测量,判断传播时间如果为逐渐变小，保持步进电机转向；如果变大，改变步进电机转向。判断超声波测量时间值为最小，即停止步进电机控制，确定了超声波探头的位置。

Claims

1.一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，其特征在于：先将超声波探头的一端探头固定，另外一端探头由手动或DSP微处理器初始化一个位置,通过上位机进行信号测量，并通过控制电机推动另一端探头实现安装位置选择后，再进行另一端探头固定；通过上位机测量得到的瞬时超声波传播时间值，进行分析在什么位置得到最小值，从而确定另一端探头的具体位置，用于解决因为流速测量范围宽而带来的超声波传播轨迹非线性变化，而造成的瞬时超声波传播时间测量值偏差问题，从而得到精确的超声波流速测量值。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，其特征在于：

所述上位机采用单片机MSP430F5438，单片机MSP430F5438测量超声波信号强度和超声波传播时间值，数字信号微处理器DSP28335实现控制信号输出；再采用电机驱动器A3977SED精确控制电机运行；

3.根据权利要求2所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，其特征在于：所述步进电机选用最小步进角为1.8°的42步进电机；丝杆精度达到每1.8°电机角位移对应10um丝杆线位移；步进电机根据接收到的脉冲信号进行角位移再通过丝杆转换为对应的线位移从而推动超声波探头的移动。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，其特征在于：所述驱动芯片A3977SED设置为全步模式，驱动信号的频率决定电机转速，脉冲的个数控制电机的步进角度；驱动芯片A3977SED为含有内置转换器和译码器的完整的微步电动机驱动器,内部具有用来改善PWM操作时功率消耗的同步整流控制电路并能自动地进行改善；只需输入一个脉冲即可驱动电动机一个步进，输出由 DMOS 的双 H 桥完成。

5.根据权利要求1所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，其特征在于：另一端探头实现安装位置选择的方式是根据超声波探头接收到的信号的强度来确定，准确的安装位置要求信号强度大于60%。

6.根据权利要求1所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法，其特征在于：在待测管道上进行初始化的安装位置选择，将含有一端探头的外夹装置安装于管道的一侧并用螺钉进行固定；外夹装置采用两个平行的固定杆，再接着进行系统信号点的选择，通过上位机信号测量，控制电机移动选择另一端探头的安装位置，并通过外夹装置将另一端探头进行固定，安装完成：

（1）另一端探头实现安装位置选择的方式是根据超声波探头接收到的信号的强度来确定，准确的安装位置要求信号强度大于60%；超声波探头的安装距离根据其特定的阈值确定；数字信号处理器DSP根据单片机MSP430F5438检测的信号强度输出对应的脉冲，当信号强度偏低时采用较高转速方式扫描管道，当信号强度达到50%时即转换为低速运行模式；

（2）数字信号处理器DSP采用递增计数模式进行PWM脉冲输出，通过将周期寄存器TBPDR的初值减小以增加脉冲输出的频率，通过数字信号处理器DSP的EPWM1A端连接步进控制器电路A3977SED的CLK端和STEP端，并通过数字信号处理器DSP的GPIO16端连接步进控制器电路A3977SED的DIR端,通过GPIO17端连接步进控制器电路的EN( )端分别控制电机的转向、启停；低速运行时亦然，区别在于周期寄存器初值较大；超声波流量计对两探头安装距离要求较高，高速和低速下电机的相对转速都较低，两个档位预先设定的初值都较大；

7.一种基于DSP28335的超声波探头自动定位装置，它包括超声波探头、外夹装置、步进电机和控制系统，其特征在于：

所述超声波探头分为两组；

所述外夹装置设有两组固定平行杆；

8.根据权利要求7所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位装置，其特征在于：所述外夹装置设有两组固定支架，两组固定支架之间连接设有固定平行杆A和固定平行杆B；每组固定平行杆上滑动连接设有一滑块，超声波探头安装在滑块上，各滑块上设有的固定件为螺钉。

9.根据权利要求8所述的一种基于DSP28335的超声波探头自动定位装置，其特征在于：所述步进电机安装在一组固定支架上，连接步进电机和超声波探头的丝杆与同一侧固定平行杆平行。