基于STC12C5412AD单片机的脉冲信号源设计_张颖

微计算机应用MICROCOMPUTERAPPLICATIONS

Vol.32No.4Apr.2011

*

基于STC12C5412AD单片机的脉冲信号源设计

张颖1

杨春霞2

丁克勤3

陈如冰4

4

梁斌5

王海涛1，2

王平1

(1南京航空航天大学

3

5

自动化学院南京210016北京100013

2

中国商飞上海飞机设计研究院

南京210002)

上海200235

中国特种设备检测研究院苏州市计量测试研究所苏州215128

江苏省南京锅炉压力容器安全监督检测研究院

摘要:在脉冲涡流和脉冲漏磁无损检测系统中，将脉冲信号加载于激励线圈上，产生反映被检试块缺陷信息的脉冲磁场。本文设计了一种频率、占空比和幅值均可调的脉冲信号源，以满足不同的检测需要。该脉冲信号源以带有脉冲宽度调制PWM(PulseWidthModulation)的STC12C5412AD单片机为核心，配以合适的功率放大器，并能够与上位机实时通信，实现对脉冲信号源参数的控制与显示。所设计的脉冲信号源具有性能稳定、操作方便、成本低等优点，通过实验测试，完全能够应用于脉冲电磁无损检测系统中。关键词:脉冲信号源

单片机

无损检测

TheDesignofPulseSignalSourceBasedonSingleChipMicrocomputer

2

ZHANGYing1，YANGChunxia2，DINGKeqin3，CHENRubing4，LIANGBin5，WANGHaitao1，，WANGPing1

(1NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing，210016，China，2ShanghaiArecraftDesignandCOMAC，Shanghai，200235，3ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchCenter，Beijing，100013，ResearchInstitute，

4

SuzhouInsituteofmeasurementandtestingtechnology，Suzhou，Jiangsu，215128，China，5NanjingBoilerandPressureVessel

Nanjing，210002，China)InspectionInstitute，

Abstract:Inpulsededdycurrent(PEC)andpulsemagneticfluxleakage(PMFL)non－destructivetesting(NDT)system，whenloadingthepulsesignalinincentivecoil，itwillgeneratethepulsedmagneticfieldcarryingthedefectinformationoftest－components.dutyratioandamplitudeadjustableisdesignedtomeetthedifferentneedsofde-Inthispaperapulsesignalsourcewithitsfrequency，

tection.ThisimpulsesourceisbasedonSTC12C5412ADSCM(singlechipmicrocomputer)withPWM，matchwithappropriatepoweramplifierandcanbeinreal－timecommunicationwiththehostcomputertoregulateanddisplaythewaveformparameters.Bytakingadvantageofstableperformance，convenientoperationandlowcost，theexperimentsprovedthatthepulsesourcecanbecompletelyap-pliedinpulseelectromagneticnon－destructivetestingsystem.Keywords:pulsesignalsource，singlechipmicrocomputer，NDT

脉冲涡流和脉冲漏磁无损检测技术是近些年发展起来的新型电磁无损检测技术，对检测金属材料的缺

［1］

陷有很好的效果，脉冲信号源是脉冲电磁检测系统中的重要组成部分。脉冲信号源加载在激励线圈上，产生一个快速变化的脉冲磁场，从而在被测试件上产生相应的磁场变化，通过检测此磁场可以得到试件的缺陷信息。由于脉冲信号通过傅里叶变换可以展开成无限多个谐波分量的和，因而具有很宽的频谱，在进行脉冲电磁无损检测时，可以获取试件中的多参数信息。脉冲激励源的频率、占空比和幅值参数的不同直接

本文于2011－02－24收到。

*基金项目:江苏省科技厅项目(项目号BZ2009051、BK2010503、BE2009162)，国家自然基金(50907032)、国家科技支撑计划(2009BAK58B02)、国家质检总局科技计划(2009QK162)、苏州市科技局项目(SYG201024)资助。

4期张颖等:基于STC12C5412AD单片机的脉冲信号源设计77

影响检测结果，因此需要设计一个频率、占空比和幅值均可调的脉冲激励源，以便根据不同的检测需要改变脉冲激励信号源参数。

1设计方案

产生脉冲信号的方法有很多，例如:采用单片函数发生器专业集成电路，如ICL8038，优点是只需接少量的阻容元件就能够产生正弦波、三角波以及方波，信号精度很高，缺点是脉宽、频率调节不太方便;采用专用直接数字合成DDS(DirectDigitalSynthesizer)芯片构成函数发生器，优点是波形稳定、频段宽、精度高，缺点

［2］

是产生的波形单一、占空比调整困难、成本较高;采用单片机和FPGA(Field－ProgrammableGateArray)技优点是设计灵活且资源丰富，缺点是成本高。通过以上分析比较，本文选择了带有PWM的单片机产术，

生脉冲信号，利用软件对脉冲信号的频率和占空比进行调节，电路简单且价格低廉，但是输出频率及其步进受单片机时钟频率、指令数和指令执行周期的限制，脉冲信号频率越高，离散度越大，脉宽分辨率也越低。

脉冲信号源设计的总体方案如图1所示，为了便于调整脉冲信号的参数，通过键盘或者上位机来设置频率和占空比。幅值控制采用电位器来改变脉冲信号的幅值大小，操作简单。脉冲信号需后加功率放大电路，以便产生足够大的电流驱动激励线圈，从而产生较强的脉冲磁场，因此加载在激励线圈上的是脉冲电流源。

［3］

图1脉冲信号源设计的总体方案

2硬件设计

根据上述系统设计方案所得到的脉冲信号源实际上是脉冲电流源，通过改变脉冲信号的幅值来改变脉冲电流大小。为了满足脉冲电磁无损检测系统的应用要求，所设计的脉冲信号源频率为0～1kHz，最小调节间距为1Hz，占空比为10%～90%之间，最小调节间距为1%，脉冲源电流可放大至3A。可以通过调节按键或者上位机控制界面改变脉冲信号的频率和占空比，通过调节电位器改变脉冲电流大小，电路简单，操作方便。2.1脉冲信号产生电路设计

单片机系统电路如图2所示，本文选择了宏晶STC系列STC12C5412AD单片机，其带有4路PWM输8路A/D(10位精度)，2个定时器，Flash程序存储器12K字节。单片机系统设计需要注意一下几点:单出，

比无源晶振更稳定，保证输出的PWM波形更稳定;通过软件程序设置片机的晶振是11.0592MHz的有源晶振，单片机内部的特殊功能寄存器，来改变脉冲信号的频率和占空比;PWM输出接OP07放大器构成的电压跟随器，用作隔离电路，保护单片机。同时本系统设计了k1～k4四个按键，用于进行脉冲信号源的参数设定。

STC12C5412AD单片机的P1口是10位精度的A/D转换口，转换速度均可达100kHz，通过软件可以将8路中的任一路作为A/D接口，并可以设置转换速度。在本系统中，脉冲信号源的幅度电压值接入P1.6A/D接口，转换后的结果通过串口传送给上位机，进而显示幅度值。MC1304提供2.5V的参考电压源，以弥补单片机供电电压VCC不稳定带来的转换误差。单片机与上位机进行串口通信，需外接MAX232芯片进行电平转换，以满足RS－232串行通信标准。上位机向单片机传输所设置的脉冲信号频率和占空比参数，从而实现改变脉冲源输出波形。而且此款单片机是通过串口进行程序下载，调试程序很方便。

78微计算机应用2011年

图2单片机系统电路

2.2功率放大电路设计

由信号产生模块得到的脉冲信号，须进行功率放大后才能够驱动激励线圈。为了使脉冲信号能不失真

放大，则功率放大模块必须转换速率要足够快，频带也要足够宽。在实际的脉冲电磁检测中，脉冲信号以电流形式放大，即加载在激励线圈上的实际上是脉冲电流。美国APEX公司生产的集成功率放大器芯片PA02能够满足设计要求，其可以带容性、阻性和感性负载，高功率带宽达350KHz，转换速率高达20V/us，高输出R12是电位器用于调节输入的脉冲信号幅值，R9和R10用电流可至±5A。功率放大电路设计如图3所示，

作限流电阻，将输出的电流控制在±3A。R11是1Ω/3W的精密金属膜电阻，加载在激励线圈中的电流I。=Vin

，通过调节R12可以改变线圈中的电流大小，通过采集R11的两端电压大小可以得到脉冲电流大小，因R11

此将R11的一端电压值反馈到单片机的A/D转换口，转换后的数据传送给上位机进行显示，便于调节脉冲电流的大小。

图3功率放大电路

4期张颖等:基于STC12C5412AD单片机的脉冲信号源设计79

由于PA02驱动的是感性负载，所以在正负电源端追加了续流二极管FR307，使电源吸收激励线圈两端出

PA02功放必须加散热片，现的尖峰电压。为了避免工作过程中产生的热量烧坏PA02，最好能够追加风扇。

3软件设计

与硬件设计相应的是软件设计，本系统需要对上位机和单片机编程。上位机采用VC++编程语言，主

［4］

要完成其与单片机的通信和进行数据处理，传递脉冲源的设置参数和显示脉冲源的电流幅值，如图4所示上位机控制界面。

图4脉冲源参数控制界面

上位机的软件流程图如图5所示，利用MSComm控件进行串口编程，接收和发送数据。虽然单片机的A/D转换速率可以达到100k，但是RS232的传输速率只有20Kb/s，限制了单片机将采集数据传输于单片机的速率，这样高频率的PWM波形并不能够实时地显示。所以在调节脉冲源参数时，先将频率设置为1Hz，调节电位器设定脉冲源的电流大小，然后再重新设置脉冲源的频率和占空比。

图5上位机程序流程图

单片机软件采用C51语言编写，系统流程图如图6所示。STC12C5412AD单片机通过软件设置脉冲信号不同的频率和占空比，并将A/D采集数据传送给上位机，因此单片机的软件编程非常重要，需注意串口中

80微计算机应用2011年

［5］

断、定时器中断和外部中断的各中断响应函数。单片机的定时器T0作为PWM的时钟输入源，改变定时器T0的定时时间则改变PWM的频率，因此定时器T0需精确定时。设置与PWM输出有关的特殊功能寄存器，可改变PWM的占空比。利用单片机自带的A/D采集反映脉冲源电流大小的电压值时，设置相应的特殊功能寄存器，并实时将采集到的数据传给上位机。

图6单片机程序流程图

4结束语

所设计的脉冲信号源频率可调范围为0～1kHz，占空比可调范围为10%～90%之间，脉冲源电流可放大至3A，通过实际的应用实验，所设计的脉冲信号源能够满足脉冲电磁无损检测系统的特殊要求，并且取得了很好的实验效果。脉冲信号源具有操作简单、成本低和性能稳定等优点，具有广阔的应用前景。美中不足的是由于单片机与上位机通信采用RS232标准，速率最高只能达到20Kb/s，限制了波形采样的实时性显示，如若采用USB2.0通信，可以达到480M传输速率，将会更为完美地显示脉冲信号源波形。

参

考

文

献

［1］J］.无损检测，2010，32(8):560－563王海涛等.脉冲涡流阵列缺陷成像检测技术［［2］J］.仪表技术与传感器，2009，9:58－60周文利等.基于DDS技术的程控双通道正弦PWM脉冲源［［3］J］.机械设计与制造，2006，2:86－87陈兴文等.基于FPGA实现步进电机脉冲信号控制器设计［［4］M］.北京:清华大学出版社，2006.李长林等.VisualC++串口通信技术与典型实例［［5］M］.北京:人民邮电大学出版社，2007.王为青等.单片机KeilCx51应用开发技术［

作者简介

1987年生，张颖，女，硕士研究生，主要研究方向:电磁无损检测。

1968年生，王海涛，男，副教授，主要研究方向:光电和电磁无损检测，计算机测控技术等。