CN110646516A - 一种极简架构的掌式超声波探伤仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极简架构的掌式超声波探伤仪，包括Cortex M4核的ARM微处理器、FPGA模块、方波发射电路、信号调理电路、存储器、高速数据采集芯片、显示屏，所述存储器、显示屏、FPGA模块都与Cortex M4核的ARM微处理器电性连接，所述信号调理电路、方波发射电路、高速数据采集芯片都与FPGA模块电性连接，所述高速数据采集芯片与信号调理电路电性连接，本发明采用ARM+FPGA的架构，成本大大降低，电路结构大大简化，提高了超声波换能器的发射效率和信噪比；本发明的续航能力大大提高，减缓了器件老化，延长了仪器使用寿命。

Description

一种极简架构的掌式超声波探伤仪
技术领域
本发明涉及一种极简架构的掌式超声波探伤仪。
背景技术
作为一种无损检测技术，超声波探伤仪以其检出效率高、安全无辐射、耗材消耗少、综合使用成本低等优点在工业领域得到了广泛的应用。但目前市面上的超声波探伤仪，因为电路结构复杂、电池续航能力差、仪器生产成本高、探伤结果不够直观等问题，导致其在广大的中小企业中的应用受到了限制。
传统的数字式超声波探伤仪，通常采用ARM、CPLD、DSP、SRAM、ADC、LCD驱动芯片等多个芯片组合的数字架构。这种架构采用ARM作为主控芯片负责液晶显示、人机交互、数据通信等工作，DSP作为数据处理芯片负责探伤数据的抽取、检波、包络、波形合成等工作，CPLD接受ARM发来的指令并控制ADC和SRAM进行高速数据采集和缓存。这种架构的缺点是很显而易见的：1、采用的器件很多，布线非常复杂，电路的抗干扰能力降低，成本增高，研发周期变长。2、很多器件仅仅使用很少一点资源，大量的资源被浪费，比如价格不菲的DSP芯片仅仅发挥了一些简单的功能、大量资源被闲置。3、DSP和SRAM的功耗都比较高，影响了电池续航能力、限制了探伤仪的应用。4、复杂的电路结构使得探伤仪很难小型化，很多现场应用需要探伤工爬上爬下，带着一个几公斤重的仪器，甚为不便。5、超声波探伤仪的发射波形为尖脉冲，发射效率低，而且由于尖脉冲的频率成分比较多，导致激发的超声波中的频率成分也较杂，使得发射效率低，信噪比低。
超声波探伤仪的模拟电路部分采用改变阻尼的方式，使用继电器改变阻尼电阻来调节发射波形的脉冲宽度，这种方式需要采用很多继电器进行切换，电路与探头之间的匹配很难达到最优，最关键的是超声波的前沿能控制，后沿很难控制，发射效率、探伤灵敏度都受到影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种极简架构的掌式超声波探伤仪。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种极简架构的掌式超声波探伤仪，包括Cortex M4核的ARM微处理器、FPGA模块、方波发射电路、信号调理电路、存储器、高速数据采集芯片、显示屏，所述存储器、显示屏、FPGA模块都与Cortex M4核的ARM微处理器电性连接，所述信号调理电路、方波发射电路、高速数据采集芯片都与FPGA模块电性连接，所述高速数据采集芯片与信号调理电路电性连接，所述Cortex M4核的ARM微处理器集成了NorFlash、LCD控制器、USB控制器和键盘处理芯片的功能，所述FPGA模块集成存储、运算、缓存的功能，所述显示屏采用工业级的小尺寸的IPS液晶屏。
作为优选，显示屏为2.4寸的显示屏。
作为优选，所述Cortex M4核的ARM微处理器型号为STM32F429VIT6。
作为优选，FPGA模块的型号为EP4CE6E22CN。
作为优选，高速数据采集芯片采用Analog Devices公司的AD9215-105芯片。
本发明的有益效果如下：本发明采用ARM+FPGA的架构代替以前的ARM+CPLD+DSP+SRAM+三态门的架构，芯片数量大大减小，成本大大降低，电路结构大大简化，可以把整个探伤仪的体积缩减为原来的1/10左右，功耗减小为原来的1/8左右，电路成本降低为原先的1/3左右，本发明采用极简架构之后可以做成掌式；本发明采用方波发射电路发射方波取代尖脉冲，提高了超声波换能器的发射效率和信噪比；本发明采用工业级的小尺寸的IPS液晶屏代替原先的TFT甚至EL屏，因此本发明功耗小，响应速度快；由于本发明功耗的降低，以前只能用锂电池的供电，现在采用干电池也可以被应急使用，在同等情况下，本发明的续航能力大大提高，由于功耗的降低避免了仪器内部发热导致的一些次生问题，减缓了器件老化，延长了仪器使用寿命。
附图说明
图1为本发明的模块连接图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1所示，一种极简架构的掌式超声波探伤仪，包括Cortex M4核的ARM微处理器2、FPGA模块6、方波发射电路4、信号调理电路5、存储器3、高速数据采集芯片7、显示屏1，所述存储器3、显示屏1、FPGA模块6都与Cortex M4核的ARM微处理器2电性连接，所述信号调理电路5、方波发射电路4、高速数据采集芯片7都与FPGA模块6电性连接，所述高速数据采集芯片7与信号调理电路5电性连接，所述Cortex M4核的ARM微处理器2集成了NorFlash、LCD控制器、USB控制器和键盘处理芯片的功能，所述FPGA模块6集成存储、运算、缓存的功能，所述显示屏1采用工业级的小尺寸的IPS液晶屏。
如图1所示，显示屏1为2.4寸的显示屏1，Cortex M4核的ARM微处理器2型号为STM32F429VIT6，所述FPGA模块6的型号为EP4CE6E22CN，高速数据采集芯片7采用AnalogDevices公司的AD9215-105芯片。
本发明采用ARM+FPGA的架构代替以前的ARM+CPLD+DSP+SRAM+三态门的架构，传统的超声波探伤仪的数字架构很复杂，光数字芯片就绪要近十几片：ARM7、LCD控制器、CPLD、DSP、1片SRAM、4片三态门、键盘处理芯片、USB控制器、NorFlash、NandFlash、实时时钟芯片、移位寄存器2片。而采用极简架构之后，Cortex M4核的ARM集成了NorFlash、LCD控制器、USB控制器和键盘处理芯片的功能；FPGA内部有RAM资源，既有一定的运算能力(代替DSP)，又有缓存能力(取代SRAM)；本身它也是一个可编程逻辑器件，可以取代CPLD和三态门完成逻辑功能。
架构设计和器件合理选型降低了成本，由于采用了极简架构，很多昂贵的电子器件被节省了。像DSP这些器件的价格是200RMB+，CPLD的价格是100RMB+，ARM7和NorFlash、LCD控制器、USB控制器和键盘处理芯片的价格为500+，而采用新架构之后，Cortex M4内核的ARM价格为40+RMB，新采用的Cyclone IV系列FPGA的价格为23RMB，也就是说数字部分的成本降低为原来的1/10左右。
发射波形采用方波取代尖脉冲，提高了超声波换能器的发射效率和信噪比，以前的超声波探伤仪的发射波形为尖脉冲，发射效率低。而且由于尖脉冲的频率成分比较多，导致激发的超声波中的频率成分也较杂，而采用方波脉冲尤其是脉冲的宽度达到探头固有振荡周期的1/2的时候，上升沿和下降沿激发的超声波可以叠加增强，而且其他频率成分也比较少，这就大大提高了发射效率和信噪比。
采用工业级的小尺寸的IPS液晶屏代替原先的TFT甚至EL屏，最早使用的屏幕是EL屏(电致发光)，这种屏幕的好处是宽温、响应速度快，但是非常耗电(5W～10W)，体积和重量都比较大，后来大部分厂家采用了工业级的5.7寸的TFT，重量、功耗和价格都优化了不少，功耗大约1W～2W。但本专利中采用2.4寸的IPS作为一个典型应用，功耗100mW左右，重量为EL屏的1/30。
本发明采用ARM+FPGA的架构代替以前的ARM+CPLD+DSP+SRAM+三态门的架构，芯片数量大大减小，成本大大降低，电路结构大大简化，可以把整个探伤仪的体积缩减为原来的1/10左右，功耗减小为原来的1/8左右，电路成本降低为原先的1/3左右，本发明采用极简架构之后可以做成掌式；本发明采用方波发射电路发射方波取代尖脉冲，提高了超声波换能器的发射效率和信噪比；本发明采用工业级的小尺寸的IPS液晶屏代替原先的TFT甚至EL屏，因此本发明功耗小，响应速度快；由于本发明功耗的降低，以前只能用锂电池的供电，现在采用干电池也可以被应急使用，在同等情况下，本发明的续航能力大大提高，由于功耗的降低避免了仪器内部发热导致的一些次生问题，减缓了器件老化，延长了仪器使用寿命。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种极简架构的掌式超声波探伤仪，其特征在于，包括Cortex M4核的ARM微处理器(2)、FPGA模块(6)、方波发射电路(4)、信号调理电路(5)、存储器(3)、高速数据采集芯片(7)、显示屏(1)，所述存储器(3)、显示屏(1)、FPGA模块(6)都与Cortex M4核的ARM微处理器(2)电性连接，所述信号调理电路(5)、方波发射电路(4)、高速数据采集芯片(7)都与FPGA模块(6)电性连接，所述高速数据采集芯片(7)与信号调理电路(5)电性连接，所述Cortex M4核的ARM微处理器(2)集成了NorFlash、LCD控制器、USB控制器和键盘处理芯片的功能，所述FPGA模块(6)集成存储、运算、缓存的功能，所述显示屏(1)采用工业级的小尺寸的IPS液晶屏。
2.根据权利要求1所述一种极简架构的掌式超声波探伤仪，其特征在于，所述显示屏(1)为2.4寸的显示屏(1)。
3.根据权利要求1所述一种极简架构的掌式超声波探伤仪，其特征在于，所述CortexM4核的ARM微处理器(2)型号为STM32F429VIT6。
4.根据权利要求1所述一种极简架构的掌式超声波探伤仪，其特征在于，所述FPGA模块(6)的型号为EP4CE6E22CN。
5.根据权利要求1所述一种极简架构的掌式超声波探伤仪，其特征在于，所述高速数据采集芯片(7)采用Analog Devices公司的AD9215-105芯片。
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