CN108627551B

CN108627551B - 用于ert立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路

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Publication number: CN108627551B
Application number: CN201710180568.XA
Authority: CN
Inventors: 王立海; 孙学东; 陶新民; 徐庆波
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: CN108627551A

Abstract

一种用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路。由于目前应用微波、超声波、核磁共振和X射线等成像技术的检测设备在对活立木进行检测时出现设备携带不易、检测精度差等问题，为此基于电阻断层成像技术开发了一套适用于野外针对活立木进行检测的便携式检测设备，并针对该设备的工作原理为其开发了一种数据采集系统。一种用于立木探伤装置的电阻断层成像数据采集系统，其组成包括：数据采集系统(1)，其特征是：所述的数据采集系统包括电源电路模块(2)、MCU控制核心(3)、激励源发生电路模块(4)、信号通道控制开关电路模块(5)、信号调理电路模块(6)以及串口通信电路模块(7)。本发明申请应用于用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路。

Description

用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路

技术领域：

本发明涉及一种探伤检测领域和一种探伤装置，尤其涉及一种用于电阻断层成像技术的数据采集系统的电路设计。

背景技术：

目前，微波、超声波、核磁共振和X射线等成像等技术在木材无损检测领域中都有了一些尝试和应用；虽然这些技术在木材无损检测中各具特色，但也都明显存在一些不足；而且，采用上述检测技术的设备存在着不易携带、操作不方便以及精度不高、造价昂贵的问题，更重要的是，这些方法通常只能对立木中晚期的腐朽情况进行检测，而对立木的早期腐朽变色情况的诊断性能不佳。所以，借鉴电阻断层成像技术在工业、医学等领域成熟的应用经验，将电阻断层成像技术引入到对立木内部缺陷检测的领域当中，尤其是针对立木早期腐朽、色变这类缺陷的检测。为此，基于电阻断层成像技术开发了一套适用于野外活立木进行检测的便携式检测设备，并依据该设备的工作原理开发了一种为电阻断层成像提供成像数据的采集系统。

发明内容：

本发明的目的是为基于电阻断层成像技术的立木探伤装置提供一种成像数据采集系统及其硬件电路的制作。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其组成包括：数据采集系统，所述的数据采集系统包括电源电路模块、激励源发生电路模块、信号通道控制开关电路模块、信号调理电路模块以及串口通信电路模块；所述的电源电路模块又包括正负12V供电电路和正负5V供电电路；所述的激励源发生电路模块又包括MCU控制核心、正弦信号发生电路、低通滤波电路和压控电流源电路；所述的信号通道控制开关电路模块又包括激励信号通道控制开关电路和信号采集通道控制开关电路；所述的信号调理电路模块又包括高通滤波电路、电压保持电路、差分放大电路、两级程控放大电路、真有效值求解电路和模数转换电路；所述的串口通信电路模块又包括RS232通信电路和磁隔离保护电路。

所述的电源电路模块分别与数据采集系统其它功能模块相连接；所述的激励源发生电路模块又包括MCU控制核心、正弦信号发生电路、低通滤波电路和压控电流源电路，所述的MCU控制核心与正弦信号发生电路相连接，所述的正弦信号发生电路与低通滤波电路相连接，所述的低通滤波电路与压控电流源电路相连接；所述的信号通道控制开关电路模块又包括激励信号通道控制开关电路和信号采集通道控制开关电路，所述的激励信号通道控制开关电路分别与压控电流源电路和被测对象上的电极相连接；所述的信号采集通道控制开关电路与被测对象上的电极相连接；所述的信号调理电路模块又包括高通滤波电路、电压保持电路、差分放大电路、两级程控放大电路、真有效值求解电路和模数转换电路，所述的高通滤波电路分别与信号采集通道控制开关电路以及电压保持电路相连接，所述的电压保持电路与差分放大电路相连接，所述的差分放大电路与两级程控放大电路相连接，所述的两级程控放大电路与真有效值求解电路相连接，所述的真有效值求解电路与模数转换电路相连接，所述的模数转换电路与MCU控制核心相连接；所述的串口通信电路模块又包括RS232通信电路和磁隔离保护电路，所述的RS232通信电路分别与MCU控制核心以及磁隔离保护电路相连接。

所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，所述的硬件电路包括硬件电路整体设计方案及实体电路印刷板。

所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，所述的连接是通过导作为连接介质的。

本发明的有益效果：

1.本发明的电阻断层成像数据采集系统，可以为基于电阻断层成像技术的立木探伤检测装置提供精确的成像反演基础数据，使得检测装置能够有效的检测出立木早期腐朽变色情况，提高立木的存活率以及木材质量，同时硬件电路制作简单大大减小了设备的体积，而且设备操作方便。

2.本发明的电阻断层成像数据采集系统，依据立木探伤检测装置的工作原理即电阻断层成像(ERT)技术，设计了采集系统的工作方式以及硬件电路；另外相比于其他类似的检测设备硬件电路功能有很大的优化，且提供的成像数据更加准确。

3.本发明的电阻断层成像数据采集系统，采集系统的工作方式是电流激励、电压测量模式；即系统一开始工作，通过激励信号通道输出交变电流信号，并通过电极作用到活立木上，与此同时经采集通道将被测活立木的边缘电压信号采集回来，最后经信号调理电路以及模数转换后传回成像上位机进行成像分析。

4.本发明的电阻断层成像数据采集系统，由于硬件电路设计中所不能避免的阻抗匹配问题，以及传感器电极和立木表面会存在一定的接触电阻；为了解决这些问题，本数据采集系统设计了内阻很大的恒流源电路来产生工作所需的激励信号。

5.本发明的电阻断层成像数据采集系统，由于采集系统是工作在弱电情况下对微弱小信号的提取，因此本数据采集系统在信号调理电路模块中设计有电压保持电路来保持获取活立木的边缘电压信号，另外还设计有真有效值求解电路保证电压信号进行模数转换时的精度。

6.本发明的电阻断层成像数据采集系统，采用信号选通模块，负责处理各个不同激励电极和采集电极之间的切换导通；因检测装置采用了16个电极的电阻断层成像技术，所以本数据采集系统需要四个16路模拟开关循环导通进行激励信号的输入和电压信号的采集。

7.本发明的电阻断层成像数据采集系统，为减少外界信号对采集板工作的影响，在通信电路模块中加有磁隔离保护电路，以此保证电压数据在传输过程中的准确性和系统工作的稳定性。

附图说明：

附图1是本发明数据采集系统的工作原理图。

附图2是本发明数据采集系统的模块组成示意图。

附图3是本发明数据采集系统的模块分解示意图。

附图4是本发明数据采集系统电源电路原理图。

附图5是本发明数据采集系统MCU控制核心电路原理图。

附图6是本发明数据采集系统正弦信号发生电路原理图。

附图7是本发明数据采集系统低通滤波电路原理图。

附图8是本发明数据采集系统差分放大电路与压控电流源电路原理图。

附图9是本发明数据采集系统电压保持电路与信号采集通道控制开关电路原理图。

附图10是本发明数据采集系统高通滤波电路与差分放大电路原理图。

附图11是本发明数据采集系统的两级程控放大电路原理图。

附图12是本发明数据采集系统真有效值求解电路与模数转换电路原理图。

附图13是本发明数据采集系统RS232通信电路原理图。

附图14是本发明数据采集系统磁隔离保护电路原理图。

图中：1—数据采集系统；2—电源电路模块；2-1—正负12V供电电路；2-2—正负5V供电电路；3—MCU控制核心；4—激励源发生电路模块；4-1—正弦信号发生电路；4-2—低通滤波电路；4-3—差分放大电路；4-4—压控电流源电路；5—信号通道控制开关电路模块；5-1—激励信号通道控制开关电路；5-2—信号采集通道控制开关电路；6—信号调理电路模块；6-1—电压保持电路；6-2—高通滤波电路；6-3—差分放大电路；6-4—两级程控放大电路；6-5—真有效值求解电路；6-6—模数转换电路；7—串口通信电路模块；7-1—RS232通信电路；7-2—磁隔离保护电路；

具体实施方式：

实施例1：

一种用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其组成包括：数据采集系统，所述的数据采集系统内部具有电源电路模块、激励源发生电路模块、信号通道控制开关电路模块、信号调理电路模块以及串口通信电路模块；所述的信号通道控制开关电路模块通过导线连接到被测立木的电极上，所述的电极直接连接在立木的截面上；所述的激励源发生电路模块又包括MCU控制核心、正弦信号发生电路、低通滤波电路和压控电流源电路，所述的正弦信号发生电路分别与MCU控制核心、低通滤波电路相连接，所述的低通滤波电路与压控电流源电路相连接；所述的信号调理电路模块又包括高通滤波电路、电压保持电路、差分放大电路、两级程控放大电路、真有效值求解电路和模数转换电路，所述的高通滤波电路分别与信号采集通道控制开关电路、电压保持电路相连接，所述的电压保持电路与差分放大电路相连接，所述的差分放大电路与两级程控放大电路相连接，所述的两级程控放大电路与真有效值求解电路相连接，所述的真有效值求解电路与模数转换电路相连接，所述的模数转换电路与MCU控制核心相连接；所述的串口通信电路模块又包括RS232通信电路和磁隔离保护电路，所述的RS232通信电路分别与MCU控制核心以及磁隔离保护电路相连接。

实施例2：

根据实施例1所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，所述的信号通道控制开关电路模块分别与立木截面上的电极、信号调理电路模块相连接；所述的串口通信电路模块经数据线连接于成像计算机。

实施例3：

根据实施例1所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，所述的连接是通过导线作为连接介质的。

实施例4：

根据实施例2所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，采用的是一种电流激励、电压测量的信号采集方式，在一对相邻电极上注入交变激励电流，并在其它所有相邻电极上依次测量电压差，得到一组能反映立木内部电阻抗分布的数据初始信息，这种测量方法称之为相邻激励；叙述模拟场景如下：在被测的立木外表面四周放置N＝16个电极，进行每次电流注入时就会有一组N-1＝15个独立的电压测量结果(除去相邻的两个驱动电极间)；然而由于接触阻抗的存在，在与驱动电极共电极的测量电极上得到的测量电压会含有较大的误差，因此不能作为重建电阻图像的数据来源；所以，进行每次电流注入时的独立测量电压次数就变为N-3＝13；为了获得更多的独立电压测量数据，本数据采集系统采用了循环测量的方式在所有相邻电极上依次注入电流，共进行N＝16次，每次电流注入均能获得N-3＝13次的电压测量结果，所以一次完整的测量共有N*(N-3)＝208个独立的电压差数据；最后通过串口通信电路上传于成像上位机，经PC进行成像算法处理后形成立木截面的电阻抗分布图。

实施例5：

根据实施例4所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，如附图6所示，激励源发生电路模块中AD9851正弦信号发生电路的原理图，其具有32位的调整频率位，分辨率为0.0291HZ；5位数字相位调解，可提供不同相位的输出信号；AD9851输出的是电流信号需通过外接电阻将电流信号转换为电压信号；其中电流强度由外接电阻R2、R3、R4、R5、R6控制，当电阻值为3.9K时输出电流值大小为10.24毫安，其中I_out＝32(1.248/R)；AD9851芯片提供并行和串行两种接口方式；AD9851配置采用的40位寄存器，低32位是频率控制字，高8位是输入方式以及相位控制字；为了节省主控模块端的I/O口，本数据采集系统采用的是串行接口方式，采用串行模式输入时与并行输入方式不同，40位控制字中的输入顺序是LSB低位在前MSB高位在后；其中AD9851的第9脚接入的是外界时钟信号输入，即晶振输出端；21脚(IOUT)端口输出的是一定频率的电流信号，22脚输出的是与21脚成180度相位差的相同频率的电流信号，外接470欧的电阻，同时经过截止频率为100KHZ的5阶巴特沃斯低通滤波器以及差分放大器AD620AN相减后可生成Vpp＝9.6V的双极性电压信号；其中AD620AN是共模抑制比为100db(G＝10)带宽为120KHZ(G＝100)，输入失调漂移0.6uV/℃的仅需外接电阻可调增益的低成本、低功耗高精度的仪表放大器；其中AD620AN第6脚输出的双极性电压信号进入基于AD8620运放的HOWLAND电压控制电流源模块中可产生所需的交变恒流信号，其第1脚输出端输出可调的恒流信号。

实施例6：

根据实施例4所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其信号通道控制开关电路模块实现激励电极选通的功能是由两片CD4067BM芯片完成的；CD4067BM是一款导通电阻为40欧姆左右，轨对轨的CMOS模拟开关；其中一个CD4067BM的公共端接入恒流源的信号输出端，另一个CD4067BM公共端直接接地即可；通过控制每一个芯片的4位逻辑控制位即可实现对CD4067BM芯片通道开关闭合的控制；测量电极端采用的是两片同样的CD4067BM芯片，另外由于信号输出端是仪表放大器，输入阻抗很大因此导通电阻的影响可忽略不计。

实施例7：

根据实施例4所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其信号调理电路模块实现对微弱电压信号的准确提取过程如下：两相邻测量电极上的电压信号通过电压保持电路进入到RC高通滤波器中滤波后，输入到AD620AN的两个差分输入端进行差分放大处理，可有效避免极化效应产生的直流信号；同时AD620AN可有效去除共模输入电压信号，顺利提取出差分电压信号；AD620AN芯片的1，8脚接50K欧姆时增益倍数为2；经过AD620AN差分放大后的电压差信号输入到两级程控放大电路中进行程控放大，两级程控放大电路是由PGA202KP+PGA203KP，增益控制端分别为1，10，100，1000以及1，2，4，8；可根据输入信号的幅值进行适当调节；接着将放大后的信号送入由AD637JR构成的真有效值求解电路中进行电压差信号的真有效值提取，并输入到模数转换芯片TLC2543CN中完成12位的AD转换，最后输入到MCU控制核心中。

实施例8：

一种利用实施例1至7所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其完整的工作流程如下：本数据采集系统的MCU控制核心接收到上位机发送的采集指令后，利用信号通道控制开关电路模块，将激励源发生电路模块产生的激励电流信号循环输入到相邻两个电极中并对剩余的电极完成电压信号的相邻测量，共进行208次采集动作，完成16*13＝208个电压差数据的采集；其中每次采集动作产生的电压差信号都会进入到高阻抗的差分放大器中做第一次差分放大，然后再经过两级程控放大电路放大后，进入AD637JR真有效值求解电路中进行真有效值的计算，并将输出的直流信号通过TLC2543CN模数转换芯片完成12位的AD转换；最终208次的采集数据由MCU控制核心对外置的E2PROM进行读写操作，保存在16K的24C16存储芯片中；当上位机需要采集的电压数据进行被测立木截面电阻抗分布图像的反演计算时，下位机数据采集系统会再通过RS232串口上传给成像计算机。

Claims

1.一种用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其组成包括：数据采集系统，其特征是：所述的数据采集系统包括电源电路模块、激励源发生电路模块、信号通道控制开关电路模块、信号调理电路模块以及串口通信电路模块；所述的电源电路模块又包括正负12V供电电路和正负5V供电电路；所述的激励源发生电路模块又包括MCU控制核心、正弦信号发生电路、低通滤波电路和压控电流源电路；所述的信号通道控制开关电路模块又包括激励信号通道控制开关电路和信号采集通道控制开关电路；所述的信号调理电路模块又包括高通滤波电路、电压保持电路、差分放大电路、两级程控放大电路、真有效值求解电路和模数转换电路；所述的串口通信电路模块又包括RS232通信电路和磁隔离保护电路。

2.根据权利要求1所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其特征是：所述的电源电路模块为数据采集系统提供稳定的工作电压；所述的激励源发生电路模块为数据采集系统提供工作所需的恒流激励信号；所述的信号通道控制开关电路模块实现数据采集系统在信号采集过程中对信号通道的控制；所述的信号调理电路模块实现数据采集系统对所需微弱电压信号的精确提取；所述的串口通信电路模块实现数据采集系统与上位机的各种通信操作。

3.根据权利要求1所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其特征是：所述的电源电路模块分别与数据采集系统其它功能模块相连接；所述的MCU控制核心与正弦信号发生电路相连接，所述的正弦信号发生电路与低通滤波电路相连接，所述的低通滤波电路与压控电流源电路相连接；所述的激励信号通道控制开关电路分别与压控电流源电路和被测对象上的电极相连接；所述的信号采集通道控制开关电路与被测对象上的电极相连接；所述的高通滤波电路分别与信号采集通道控制开关电路以及电压保持电路相连接，所述的电压保持电路与差分放大电路相连接，所述的差分放大电路与两级程控放大电路相连接，所述的两级程控放大电路与真有效值求解电路相连接，所述的真有效值求解电路与模数转换电路相连接，所述的模数转换电路与MCU控制核心相连接；所述的RS232通信电路分别与MCU控制核心以及磁隔离保护电路相连接。

4.根据权利要求1所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其特征是：所述的硬件电路包括硬件电路整体设计方案及实体电路印刷板。

5.根据权利要求3所述的用于ERT立木探伤装置的数据采集系统及其硬件电路，其特征是：所述的连接是通过导线作为连接介质的。