智能型超声波钢轨探伤仪

文中介绍采用三片单片机设计的新型智能stg一2000型超声波钢轨探伤仪。它具有全数字式控制、便携性好、低功耗、高速动态检测、实时报警、整体操作简便等特点。由于内核采用三片兼容mcs一51单片机构造的机并行系统，这个产品使超声波钢轨探伤工作提高到了一个新的水平。

一般的概念是8位单片机只用于控制要求不太高的场合下，高速检测控制场合都使用16位以上的cplj或者工巧p处理器。实际上，我们完全可以采用多片廉价8位单片机高速并行工作的方法来设计实现高速的实时控制系统，这样做使得系统分工明确、编程简便、成本低廉，故采用三片51单片机设计出了新型智能stg一2000型超声波钢轨探伤仪。

钢轨探伤仪是一种在钢轨上推行，能够连续对钢轨进行探伤的设备，由运载车体和仪器组成。它一般使用五个不同发射角度的探头在钢轨的踏面上用超声波对钢轨进行探伤，在示波管上显示经过峰值选择处理过的反射波形。探伤仪要求在野外钢轨上行进中连续工作，还要求能够适应不同状态轨面，因此要求有高速的处理速度、波形清晰、节省电池、增益调节范围大等特点。相对于常规钢轨探伤仪，我们设计的智能型产品采用了全数字式面板取代了以前仪器烦琐的众多旋纽，并且使用lci)显示器采用中文菜单方式指示操作和状态。放大电路采用高速可变增益放大器，动态范围大，获得反射波形清晰。报警过程处理智能化，显示准确，并具有图形报替功能。整个系统电源由一个专门cpu控制，使整机功耗与常规钢轨探伤仪相当。考虑到实时处理速度和成本，回波显示使用低功耗示波管。

1硬件设计

如图1，硬件设计上基本划分为三大部分，下面分别进行叙述。

1.1面板部分

一体化的数字式面板是本机的一个特色，这个部分由lcd〕、键盘、控制线路板组成。其中d口〕为宽温的128只64点阵模块，使用汉字菜单方式来显示当前系统参数和状态。键盘为16个薄膜按键，用来对系统进行控制。电源控制也设置为单键控制的软开关，这样可以保证面板整体无开孔，提高野外操作的防雨性能。控制cpu采用w78e58，它内部加载了一个局部字库，为汉字显示提供字模，系统还扩展了一片〔巧1235来存储设定的数据和必要的检测结果。在对lc工〕和键盘的控制同时，还负责系统报替显示处理及电池电压的监控。信息通过它的串行口与另外两个cpu进行交换，串行口采用工作方式3进行，能够保证高速度的数据传输。如果在钢轨探伤仪走行部分加装霍尔器件，系统控制cpu还能够提供距离累计和走行速度显示功能。

1.2信号检测控制部分

这个部分是探伤仪的主体部分，它由发射电路、程控放大接收电路、增益补偿电路、波形处理电路、回波时间检测电路、示波管控制电路、cpu核心等组成，每通道检测周期为500从s，五通道连续巡回检测速度为4001七，其中程控放大接收电路和回波时间检测电路设计比较有特色。

发射电路在500v高压下用来激励探头晶片起振，特点必须在从s级以内的时间完成激励，要求控制速度快。故此，我们设计cpu采用24入1荃h主频，有足够的控制速度;接收电路特点是要求具有多路开关、放大器具有宽带、同时还具有程控宽增益特性，我们这里选择使用三级a伪o3电压可控增益放大器来完成任务，使用多路d/a来控制每级增益，线路结构简洁，容易控制。可以在保证带宽的前提下，获得可灵活调节的80db增益特性;增益补偿是钢轨探伤仪特有的功能，由于它采用700人射角的探头做二次波探伤，为使二次回波与一次波相当，需要做增益补偿，在cl〕u的控制下，采用在二次回波开始追加三角波电压来控制一级al万03的增益来解决这个问题;钢轨探伤不同于通用探伤，它特殊要求回波要纤细整洁，抑制杂波，以方便伤损判断。因此我们设计了包络线和斩波处理电路，以获得适当波形;为使cpu判断应该报警的回波，我们需要捕捉回波位置，即回波时间，我们采用了高速比较器获取合适幅度的回波来触发锁存器，这样可以用门控来锁定定时计数器，获取回波位置，为捕捉获取较多个回波信息，我们设计了多级触发器级联来控制多个计数器。采用类似的原理，我们通过检测是否有微小杂波反射，我们还设计了探头失效报警电路，能够及时提醒操作工处理;示波管及控制电路是为最终显示回波设置的，我们设计的特点是在高压电路加了能源控制，回扫期间关闭电源，达到节电目的，为此，同时还采用低功耗的示波管;cpu是本部分的整体控制核心，它要求在连续每500唱一次的扫描时间内完成一个通道的发射和检测过程，故此要求cpu必须具有高速处理能力，这里采用了w78e58工作在24mlh主频下，它完成对检测的全过程控制，同时还控制示波管的扫描。在完成检测后，还要对采集的信号做初步处理，并且把结果传送给另外二个cpu，同时，它还从面板cpu读取可能存在的新的控制命令和参数。

1.3电源控制部分

这部分设计也是本机的一个特色，它由控制系统电源、示波管系统电源、报警扬声器控制、电源控制cpu等组成。

系统电源人口加了防止电池反接的肖特基二极管，能够保证仪器不会因为意外的电池连接错误而损坏。同时，电源开启采用r一s触发器构造了软开关，提高了仪器使用性能。为充分利用电池的能量，系统sv电源采用ia96o开关电源获得;对于示波管系统，采用低差压的lm4941先获得9.sv电压，然后通过cpu控制的推挽变压器为各部分提供高压。采用低差压稳压器能够保证12v电池在接近放电终点时仍可以提供稳定电压输出，尽可能提高电源效率。cpu控制的推挽变压器输人波形不采用50%占空比的反向信号源，而是采用经过实验获得的最佳占空比波形，最大的提高电源效率，同时，做到了示波管电源可控，在非使用期间通过关闭它，能够达到节电目的;报警扬声器控制是本部分的附加功能，它根据不同类型伤损，由电源控制cpu控制采用不同频率的音响来报警;电源控制cpu为戌r89q051，工作在24h江hz主频下，它在完成对电源及报警的控制同时还负责为检测控制cpu提供加001七的采样同步信号，以使发射和检测在推挽电源激励源非交替期间工作，避免干扰。

2软件设计

由于本仪器功能比较强，同时又采用了三片cpu，因此总体软件量比较大。但是由于采用并行运行，分工明确，实际上每个cpu的软件细节相对都不复杂，基本工作流程在硬件阐述中已经基本涉及，这里略去了繁琐的程序框图，只对有特色的编程方法做一下介绍。

首先，根据不同工作情况，为三片cpu选择不同的编程语言。对于面板口〕u，它主要完成人机接口及一些外围的工作，实时性要求不强，但要完成比较繁琐的工作，我们选择采用c51为它编程，这样做使程序简洁，降低编程难度。对于另外两片cpl〕，它们都要求极其严格的系统定时，高速响应事件，高速处理事件，要求具有比较强的实时性，因此，采用了51汇编语言来编程，使系统的时间精度可以用指令周期来计算。

其次，对于电源控制cpu，即要完成推挽电源控制、又要完成报警控制、还要实时接收检测cpu的报警信息及面板cpu的控制信息，由于面对的都是实时事件、所以它所有的工作基本都是由不同的中断服务程序来完成的。其中推挽电源波形和报警声音波形由下〕计数器中断产生;检测cpu信息由串口中断接收;面板电源控制命令由in卫)中断获得。

总之，对于类似这样一个比较复杂的系统，我们只要首先合理做任务分工，根据不同情况分配硬件资源，选择编程语言，合理应用中断系统来完成实时任务，就可以编制出比较好的系统软件。