扫查器行走闭环控制系统硬、软件设计

　　0 引言

　　全自动超声检测(AUT)以其独特的优势成为管道环焊缝缺陷检测领域应用最为广泛的检测方法[1]。随着我国近年来新建管线数量的急剧增加，为保证管道环焊缝缺陷检测的可靠性并提高检测效率，研发智能化的超声检测设备已成为当务之急。作为管道环焊缝全自动超声检测设备的核心部分，本文在对扫查器行走机构的运动控制系统进行简要介绍的基础上，重点叙述扫查器速度闭环控制系统的硬、软件电路的设计。

　　1 扫查器运行控制系统总体方案设计

　　行走机构是管道环焊缝自动超声检测设备的运行载体。本文设计的扫查器行走机构控制系统主要包括单片机控制模块、功率驱动模块和通信模块三部分。其过程为：由上位机给微控制器预设速度值，通过编码器将扫查器实时运行速度反馈给微控制器，微控制器将给定速度值与实际速度值进行比较，并通过数字 PID 控制算法调节电机转速，构成扫查器运行速度闭环控制系统，图1所示为其控制框图。

　　2 控制系统硬件设计

　　2.1 单片机控制模块电路设计

　　扫查器运动控制系统的单片机选用 ATMEL 公司的 ATmega128，它是高性能、低功耗的 AVR 8位微处理器，其特点为：速度快，AVR 是精简指令集单片机，其速度可以达到每秒 16MIPS;片上资源丰富，且具备 JTAG 仿真和下载功能;驱动能力强，节省了外围电路的设计。同时 ATmega128还具有一整套编程与系统开发工具，包括 C 语言编译器、宏汇编、程序调试器 / 软件仿真器等，便于控制程序的编写与调试。

　　ATmega128 单片机最小系统主要由晶振电路，复位电路、JTAG 接口电路以及外围电路组成。晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，而系统的功耗则会相应增加，稳定性也会下降，综合考虑本文中选用频率为 12MHz 的晶振。本文选用上电复位电路，其作用是在单片机刚刚接通电源时执行复位。JTAG 接口电路主要用于程序的读入与调试。

　　速度反馈电路的主要作用是对编码器的反馈信号进行采集，确定直流电机的转向和转速，从而实现扫查器速度闭环控制，其电路如图2 所示。

　　数字系统中矩形脉冲在传输过程中易发生波形畸变，因此采用施密特触发器 HCF40106 对编码器返回的脉冲信号进行整形，以获得较理想的矩形脉冲。编码器反馈脉冲信号的 A 相和 B 相相位相差 90°，一路输入到单片机中断引脚，一路输入到单片机 I/O 口引脚。编写程序时通过 I/O 口的高低电平判断电机的转向，通过对脉冲计数判断电机的转速[2]。

　　2.2 功率驱动模块电路设计