基于STCl2C5410AD单片机的四通道声发射信号采集系统设计

2．3 同步采样电路

在声发射检测中，判别一个声发射信号是否产生的基本条件之一是声发射信号的门限电压，当信号高过声发射信号的门限电压时，则认为一个声发射事件产生。在本系统中设置电压比较器，检测强烈的声发射信号时，电压比较器的基准电压就是声发射检测中的门限电压。系统中四路独立的声发射信号经过放大滤波后即可进入电压比较器LM239。LM239有四个独立的电压比较器模块．当信号进入各自的电压比价器模块后，即可与门限电压相比较。当信号高于门限电压时，则判定声发射信号到来，此时电压比较器的输出为高。

由于声波在钢板中的传播速度较快(典型的传播速度为3000 m／s)，如果由一个中央处理单元控制多个通道的指令时间不够快的话，就会造成数据采集的不同步。本文采用"优先到达同时触发四路AD同步采集"的设计方案。

在四个传感器中，优先接收到声发射信号的通道亦是优先使该通道电压比较器的输出为高电平的通道，故可以把此通道的高电平信号同时送到四个单片机的外部中断，然后启动四个单片机的片内AD同时对四个通道的声发射信号进行采集。这样就从根本上避免了在程序中由于指令执行时间以及其它内部因素的延迟影响，对多通道数据采集造成的不同步、采集遗漏或采集不完全等问题。其同步采样电路如图3所示。

2．4 数据通讯

本系统的信号采集通讯部分分为下位机的，SPI多单片机组成的数据交换系统和主控单片机与上位机通讯两部分。

STCl2C5410AD单片机自带SPI通讯接口，且内置8位移位寄存器，可保证数据传输的准确，并可简化电路设计，提高设计的可靠性。

本设计中设置的四个信号通道中的四个单片机均为从单片机，它们由主控单片机控制，可通过从机选择线来选择需要通讯的从单片机。四个从单片机可公用主机输入／从机输出数据线MISO、主机输出／从机输入数据线MOSI、以及时钟SPICLK总线。同时它们可将采集的数据保存在各自从单片机的寄存器中，以便主控可以利用SPI总线取出各个从单片机中的数据，这样就由SPI总线构成了一个数据交换系统。

与上位机的通讯可采用串口通讯的方式，并通过串口通讯设计把计算机与单片机联系起来，然后将采集的数据按通道次序传输到计算机中，最后由上位机发口令，再由主控单片机将采集的数据按通道次序传输到计算机中。

3 实验与仿真

声发射的信号可采用硬度为HB的铅笔芯折断的信号进行模拟。铅笔直径西为0．5 mm，其铅芯伸出长度约为2．5 mm，与钢板表面夹角为30°左右。

声发射信号来自缺陷本身，同样大小和性质的缺陷，由于所处的位置和应力的状态不同，所以它的声发射信号也会有差别。实验中，在固定传感器位置不变的情况下，在同一个点多次将铅笔芯折断，观察信号的状态，最终选择了声发射模拟信号出现较为频繁的情况作为声发射模拟信号的状态，本文采用STC12C5410AD单片机，它是具有8个lO位100 ksps的AD，完全满足采样定理，而且片内自带SPI总线，故可进行多通道声发射信号采集系统的试验。

试验采用压电陶瓷片作为声发射信号传感器，因此具有结构简单、轻巧、灵敏度高等特点。压电陶瓷对外力敏感，并可将极其微弱的机械振动转换成电信号。

针对声发射信号的特点，本实验选择的基板材料为黄铜，谐振频率为20 kHz，电容量为20 nF的压电陶瓷片作为声发射模拟信号的换能器，可以满足铅笔芯折断信号的接收要求。

本实验选择了两通道的数据采集，在厚度为10 mm的钢板上又间隔的分布了两个传感器，然后折断铅笔芯，并在上位机分别选择通道一和通道二，再将两个通道的数据分别上传到上位机，并利用MATLAB将采集的数据表示成波形。这样，就可以看出声发射模拟信号的幅值随时间的变化有所衰减，从而证明了弹性波在传播过程中的能量衰减。同时，在传感器2的位置还出现了弹性波的干涉现象，这正是弹性波的纵波和横波相继到达换能器2所造成的。图4所示是信号采集的波形仿真图。

4 结束语

本文根据声发射的特点，利用声发射的声源定位方法，提出了一种多通道数据信号采集系统的设计方法。通过大量实验证明，本设计具有数据传输快、定位准确等特点，能够达到声源定位的要求。