CN114166947A - 一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统及方法，包括树莓派微型电脑、显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路和电源模块，其中，树莓派微型电脑及显示触摸屏组成上位机，实现用户人机交互、任务管理和下位机控制；ARM采集控制电路按照设定周期产生发射信号给宽带开关功放，对超声接收电路输出信号进行正交采集；宽带开关功放实现发射信号的功率驱动与外接的超声振子阻抗匹配。本发明可应用于便携式超声混凝土探测设备，具有小体积、低功耗、收发严格同步等优点，并且大大降低便携式设备的体积和重量，提高设备野外操作的可靠性。
Description
技术领域：
本发明属于超声电子技术领域，具体涉及一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统及方法。
背景技术：
混凝土广泛应用于建筑、桥梁及其它基础设施中，是由钢筋、骨料、水、水泥及掺合料等原料混合而成的多相复合材料，各相随机交织，内部形成极为复杂的结构。混凝土施工过程中，由于各种原因，容易导致内部出现蜂窝或空洞等缺陷。在服役过程中，因冻融循环、火、水的侵蚀、碳化、钢筋锈蚀等各种物理、化学过程，也会导致内部出现断裂、错位、裂缝等缺陷，从而降低混凝土构件的承载能力。混凝土安全与人们的生命财产安全有着紧密的联系，因此，混凝土的安全检测显得极为重要。
超声检测技术是一种无损检测技术，在混凝土施工质量和后期安全检查中获得较为广泛的应用。其中，使用B类扫描得到混凝土内部结构的一个剖面，以显示混凝土内部结构成为一种有效的检测方法。然而由于混凝土内部多相结构造成的随机散射、结构噪声、边界反射，导致B类扫描成像分辨率低，难以对内部异常部位准确定位。近几年合成孔径聚焦技术(SAFT)被引入混凝土超声探测中，通过多点波形聚焦成像，直接显示内部散射点图像，达到增强分辨率的效果。
合成孔径聚焦技术是沿着一固定方向、一定步长移动超声收发探头，连续发射超声声波脉冲，同时接收物体内部各反射点的声反射信号，加以采集存储。根据各成像点的空间位置，对接收到的信号作时间归位，得到物体内的逐点聚焦成像，最终重建整个目标区域的图像。
但现有的合成孔径聚焦技术其设备体积占比大，不方便户外携带使用，同时，功耗高，组成模块复杂，采集和处理的信号同步性和相关性差，需要繁琐的操作流程来处理，数据后处理中，脉冲压缩输出的信噪比易发生变化等缺陷。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于驱动超声振子发射脉冲声波，同时对超声探头接收到的混凝土内部反射声波进行调理采集且便于携带、低功耗和收发严格同步的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，该基于树莓派的超声混凝土探测电子系统可有效提高外界干扰和其他瞬态因素对测量信号干扰的抑制，确保数据后处理中，脉冲压缩输出的信噪比不发生变化。
本发明的技术解决方案是，提供一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，包括树莓派微型电脑、显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路和电源模块，其中，
树莓派微型电脑及显示触摸屏组成上位机，实现用户人机交互、任务管理和下位机控制；
ARM采集控制电路按照设定周期产生发射信号给宽带开关功放，对超声接收电路输出信号进行正交采集；
宽带开关功放实现发射信号的功率驱动与外接的超声振子阻抗匹配；
接收电路超声探头接收信号进行放大、信号幅度调节和带外噪声滤除；
电源模块提供稳压电源。
作为优选的技术方案，利用树莓派微型电脑小体积、低功耗、接口丰富的特点，充当上位机功能，运行于Linux上的Python编程环境，使用USB接口接驳触摸屏，上位机使用以太网实现与下位机的命令和数据交互，实现上位机和下位机的电气隔离。其上运行Linux操作系统，采用Python编程，实现以太网数据接收、存储、数据处理、以及探测操作的界面控制。上位机软件具有超声收发探头间距设定、探头移动位置标记、发射信号参数设定、探测目标参数设定、探测信号生成等功能；具有数据后处理滤波参数设定、目标区域边界设定、合成孔径聚焦算法选择等功能；一键完成目标区域成像处理，并实现目标图像显示。使用片内以太网接口实现采集数据UDP实时输出。
作为优选的技术方案，ARM采集控制电路采用STM的32位ARM微控制器，以定时器实现接收信号的时间增益控制(TGC)，对接收信号幅度动态调节，以补偿不同深度混凝土对信号反射强度的变化；以定时器中断实现超声发射和数据采集的定时快速循环，在确保接收与发射之间严格时间同步的前提下，超声探头每个测量位置上均能短时间内获取多批次测量数据；上位机通过每个测量位置多批次测量数据的平滑处理，以提高外界干扰和其他瞬态因素对测量信号干扰的抑制。利用STM的32位ARM微控制器其丰富的外设和强大的控制能力，使其成为下位机控制核心。使用以太网接口与上位机实现控制命令和运行参数交互，接收上位机生成的发射信号、发射周期、采集时长等参数。下位机充分利用微控制器丰富的定时器外设，在DMA驱动下，将多种功能集中于单芯片内完成，凸显系统的小体积、低功耗优势，而发射、接收由微控制器集中统一控制，确保接收与发射之间严格的时间同步性。
作为优选的技术方案，以ARM微控制器内部DMA驱动定时器PWM功能，实现频率范围达20kHz～110kHz、载波600kHz的超声PWM调制宽带线性调频信号输出；以DMA驱动定时器产生发射信号，无CPU干预，且使用同一片微控制器，使设备在测量期间所产生的所有发射信号具有严格的时间同步性和高度的相关性，确保数据后处理中，脉冲压缩输出的信噪比不发生变化。
作为优选的技术方案，ARM微控制器以定时器触发双通道DMA，驱动片内双通道ADC，实现16bit、采样率达500ksps的接收信号高速正交采样；并使用同一片微控制器完成发射和采集，使发射和采集之间时间同步性严格可控，确保目标聚焦处理中对回波信号时延控制的要求，同时以定时器触发DMA来驱动ADC，在降低CPU资源消耗的同时确保两路采样信号的正交性，也确保多批次测量之间信号的相关系数。
作为优选的技术方案，电源模块通过DC/DC电源将蓄电池组提供的24V额定电压转换为电子系统工作所需稳压电源。系统设计基于蓄电池供电，采用高度集成化、模块化的设计原则，将树莓派微型电脑及显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路以及供电电源等，安装在一个工程塑料手提箱内，组成一个功能完整的便携式设备，便于野外作业。
进一步的，本发明还提供上一种基于树莓派的超声混凝土探测方法，包括以下步骤，
步骤1，用以太网线连接树莓派微型电脑；将ARM微控制器的定时器输出接到宽带开关功放输入端，宽带开关功放输出端使用屏蔽双绞长电缆连接超声振子；用屏蔽双绞长电缆连接超声探头和超声接收电路，将超声接收电路输出信号接入ARM微控制器双通道ADC模拟输入端，ARM微控制器上电完成自检后，发送自检成功信息通知上位机软件；
步骤2，将超声探头安装到混凝土的测试位置；
步骤3，上位机软件与下位机握手成功后，将运行参数和发射信号样本发送下位机，操作人员启动采集，采集过程中，ARM微控制器将采集数据实时发送给上位机，采集完成后，移动超声探头，启动新测量位置的数据采集；
步骤4，数据采集完成后，操作人员在上位机软件中对每个测试位置的采集数据进行平滑处理，进而完成脉冲压缩处理，并进行时间归一化处理，获得位置--时间二维数据序列；
步骤5，上位机软件对位置--时间二维数据序列进行回波聚焦，形成目标区域反射信号强度的二维聚焦成像，然后对图像进行处理。
作为优选的技术方案，步骤3中，采集过程中，ARM微控制器电路以周期定时器触发信号输出和输入采集。
进一步的，步骤3中，采集过程中，每个超声探头测量位置获取多批次采集数据，测量次数由操作人员从上位机软件输入。
采用以上技术方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：可应用于便携式超声混凝土探测设备，具有小体积、低功耗、收发严格同步等优点。本发明大大降低便携式设备的体积和重量，提高设备野外操作的可靠性。具体的，利用树莓派微型电脑充当上位机，使用USB接口接驳触摸屏，缩小人机接口输入输出设备体积，其低功耗特点，简化散热设计，减小上位机体积规模。低功耗运行降低了电池容量的需求，大大降低便携设备体积重量，整机重量不超过20kg。并且，设备低功耗运行，无需散热风道，能够适应野外阳光暴晒下高温作业环境，且便携设备方便设计成全封闭形式，大大提高设备野外作业可靠性；2、上位机使用以太网实现与下位机的命令和数据交互，可快速完成命令和数据交换，超声发射脉冲周期缩短，提高设备整体探测效率。上位机与下位机实现电气隔离，降低相互之间电磁干扰，既保证上位机高频运行对数据采集系统信噪比不受影响，也确保超声脉冲功率发射期间上位机运行可靠性；3、上位机运行于Linux上的Python编程环境，轻松实现以太网数据接收、存储、探测等操作控制，而其丰富而强大的信号处理算法模块资源，降低发射信号运算、采集数据后置处理中的滤波、脉冲压缩、目标聚焦成像等软件开发难度，提高软件实时运行效率；4、使用STM的32位ARM微控制器，以定时器实现接收信号的时间增益控制(TGC)，对接收信号幅度动态调节，以补偿不同深度混凝土对信号反射强度的变化；以定时器中断实现超声发射和数据采集的定时快速循环，在确保接收与发射之间严格时间同步的前提下，超声探头每个测量位置上，均能短时间内获取多批次测量数据；上位机通过每个测量位置多批次测量数据的平滑处理，可有效提高外界干扰和其他瞬态因素对测量信号干扰的抑制；5、以微控制器内部DMA驱动定时器PWM功能，实现频率范围达20kHz～110kHz、载波600kHz的超声PWM调制宽带线性调频信号输出。以DMA驱动定时器产生发射信号，无CPU干预，且使用同一片微控制器，使设备在测量期间所产生的所有发射信号具有严格的时间同步性和高度的相关性，确保数据后处理中，脉冲压缩输出的信噪比不发生变化；6、以定时器触发双通道DMA，驱动片内双通道ADC，实现16bit、采样率达500ksps的接收信号高速正交采样。使用同一片微控制器完成发射和采集，使发射和采集之间时间同步性严格可控，确保目标聚焦处理中对回波信号时延控制的要求。而以定时器触发DMA来驱动ADC，既可降低CPU资源消耗，同时确保两路采样信号的正交性，也确保多批次测量之间信号的相关系数。
附图说明：
图1为本发明电子系统构成图。
图2为本发明电子系统操作流程图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
实施例
如图1所示，
一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，包括树莓派微型电脑、显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路和电源模块，其中，
树莓派微型电脑及显示触摸屏组成上位机，实现用户人机交互、任务管理和下位机控制；
ARM采集控制电路按照设定周期产生发射信号给宽带开关功放，对超声接收电路输出信号进行正交采集；
宽带开关功放实现发射信号的功率驱动与外接的超声振子阻抗匹配；
接收电路超声探头接收信号进行放大、信号幅度调节和带外噪声滤除；
电源模块通过DC/DC电源将蓄电池组提供的24V额定电压转换为电子系统工作所需稳压电源。
作为优选的技术方案，ARM采集控制电路采用STM的32位ARM微控制器。利用STM的32位ARM微控制器其丰富的外设和强大的控制能力，使其成为下位机控制核心。
本实施例中，以2个电压12VDC、容量10A·H的蓄电池串联组成24VDC供电电压，使用一个24V转5V的DC/DC电源模块，输出5VDC供电电压。5VDC电源提供树莓派微型电脑、ARM微控制器、超声接收电路和宽带开关功放低压电路所需电源，24VDC供给开关功放高压电源。
电子系统工作时，按照图2所示的操作流程完成混凝土目标区域超声探测数据采集与成像处理。
具体的，基于树莓派的超声混凝土探测方法，包括以下步骤，
首先，将超声探头安装到混凝土的测试位置。
然后，微型电脑以5VDC电源供电，显示触摸屏连接树莓派微型电脑USB接口，作为电脑人机输入输出接口。微型电脑运行Linux操作系统，基于Python的上位机软件自启动，上位机软件通过显示触摸屏操作，输入运行参数，通过参数运算发射信号。用以太网线连接树莓派微型电脑；ARM微控制器电路以5VDC电源供电，用以太网线连接微型电脑；用屏蔽双绞线连接宽带开关功放，将定时器输出接到宽带开关功放输入端，宽带开关功放输出端使用屏蔽双绞电缆连接超声振子；用屏蔽双绞电缆连接超声探头和超声接收电路，将超声接收电路输出信号接入ARM微控制器双通道ADC模拟输入端。ARM微控制器软件上电即行，自检完成后，通过以太网口以UDP协议发送自检成功信息，通知上位机软件。
接着，上位机软件与下位机握手成功后，将运行参数和发射信号样本通过以太网口以UDP协议发送下位机，完成后操作人员启动采集。ARM微控制器电路以周期定时器触发信号输出和输入采集。采集过程中，将采集数据实时通过以太网口以UDP协议发送给上位机。每个测量探头位置获取多批次采集数据，测量次数由操作人员从上位机软件输入。采集完成后，人工或机械移动超声探头，启动新测量位置的数据采集。
当所有测量位置数据采集完成后，操作人员在上位机软件中，对每个位置多批次数据进行平滑处理，消除外界干扰。进而完成脉冲压缩处理，并进行时间归一化处理，获得位置--时间二维数据序列。
上位机软件对位置--时间二维数据序列进行回波聚焦，形成目标区域反射信号强度的二维聚焦成像，可进一步对图像进行处理。
本发明利用树莓派微型电脑小体积、低功耗、接口丰富的特点，充当上位机功能。使用USB接口接驳触摸屏，使用以太网实现与下位机的命令和数据交互。其上运行Linux操作系统，采用Python编程，实现以太网数据接收、存储、数据处理、以及探测操作的界面控制。上位机软件具有超声收发探头间距设定、探头移动位置标记、发射信号参数设定、探测目标参数设定、探测信号生成等功能；具有数据后处理滤波参数设定、目标区域边界设定、合成孔径聚焦算法选择等功能；一键完成目标区域成像处理，并实现目标图像显示。
利用STM的32位ARM微控制器其丰富的外设和强大的控制能力，使其成为下位机控制核心。使用以太网接口与上位机实现控制命令和运行参数交互，接收上位机生成的发射信号、发射周期、采集时长等参数。使用片内定时器PWM功能在DMA驱动下实现超声信号输出；使用片内双通道ADC以双通道DMA驱动实现接收信号高速正交采样；使用定时器实现严格的接收时间增益控制(TGC)用以接收信号幅度的动态调节；使用片内以太网接口实现采集数据UDP实时输出。下位机充分利用ARM微控制器丰富的定时器外设，在DMA驱动下，将多种功能集中于单芯片内完成，凸显系统的小体积、低功耗优势，而发射、接收由ARM微控制器集中统一控制，确保接收与发射之间严格的时间同步性。
系统设计基于蓄电池供电，采用高度集成化、模块化的设计原则，将树莓派微型电脑及显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路以及电源模块等，安装在一个工程塑料手提箱内，组成一个功能完整的便携式设备，便于野外作业。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：包括树莓派微型电脑、显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路和电源模块，其中，
树莓派微型电脑及显示触摸屏组成上位机，实现用户人机交互、任务管理和下位机控制；
ARM采集控制电路按照设定周期产生发射信号给宽带开关功放，对超声接收电路输出信号进行正交采集；
宽带开关功放实现发射信号的功率驱动与外接的超声振子阻抗匹配；
接收电路超声探头接收信号进行放大、信号幅度调节和带外噪声滤除；
电源模块提供稳压电源。
2.根据权利要求1所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：树莓派微型电脑充当上位机，运行于Linux上的Python编程环境，使用USB接口接驳触摸屏，上位机使用以太网实现与下位机的命令和数据交互，实现上位机和下位机的电气隔离。
3.根据权利要求1所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：ARM采集控制电路采用STM的32位ARM微控制器，以定时器实现接收信号的时间增益控制，对接收信号幅度动态调节，以补偿不同深度混凝土对信号反射强度的变化；同时，以定时器中断实现超声发射和数据采集的定时快速循环，在确保接收与发射之间严格时间同步的前提下，超声探头每个测量位置上均能及时获取多批次测量数据。
4.根据权利要求3所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：通过ARM微控制器内部DMA驱动定时器PWM功能，实现频率范围达20kHz～110kHz、载波600kHz的超声PWM调制宽带线性调频信号输出；以DMA驱动定时器产生发射信号，确保在测量期间所产生的所有发射信号具有时间同步性和相关性，确保数据后处理中，脉冲压缩输出的信噪比不发生变化。
5.根据权利要求3所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：ARM微控制器以定时器触发双通道DMA，驱动片内双通道ADC，实现接收信号高速正交采样；并使用同一片微控制器完成发射和采集，使发射和采集之间时间同步性可控，确保目标聚焦处理中对回波信号时延控制的要求，同时以定时器触发DMA来驱动ADC，降低CPU资源消耗的同时确保两路采样信号的正交性，并确保多批次测量之间信号的相关系数。
6.根据权利要求1所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：电源模块通过DC/DC电源将蓄电池组提供的24V额定电压转换为电子系统工作所需稳压电源。
7.一种基于树莓派的超声混凝土探测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，将超声探头安装到混凝土的测试位置；
步骤2，用以太网线连接树莓派微型电脑；将ARM微控制器的定时器输出接到宽带开关功放输入端，宽带开关功放输出端使用屏蔽双绞长电缆连接超声振子；用屏蔽双绞长电缆连接超声探头和超声接收电路，将超声接收电路输出信号接入ARM微控制器双通道ADC模拟输入端，ARM微控制器上电完成自检后，发送自检成功信息通知上位机软件；
步骤3，上位机软件与下位机握手成功后，将运行参数和发射信号样本发送下位机，操作人员启动采集，采集过程中，ARM微控制器将采集数据实时发送给上位机，采集完成后，移动超声探头，启动新测量位置的数据采集；
步骤4，数据采集完成后，操作人员在上位机软件中对每个测试位置的采集数据进行平滑处理，进而完成脉冲压缩处理，并进行时间归一化，获得位置--时间二维数据序列；
步骤5，上位机软件对位置--时间二维数据序列进行回波聚焦，形成目标区域反射信号强度的二维聚焦成像，并对图像进行处理。
8.根据权利要求7所述的基于树莓派的超声混凝土探测方法，其特征在于：步骤3中，采集过程中，ARM微控制器电路以周期定时器触发信号输出和输入采集。
9.根据权利要求7所述的基于树莓派的超声混凝土探测方法，其特征在于：步骤3中，采集过程中，每个超声探头测量位置获取多批次采集数据，测量次数由操作人员从上位机软件输入。
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2021
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