基于ARM的便携式钢轨无损检测仪
背景
高速铁路能够提高铁路运输能力，加快铁路运行效率，对推动国民经济的发展具有重要作用。随着我国高速铁路的快速发展，铁路安全运行成为重要问题。钢轨检测是保障高铁安全运行的重要内容之一。钢轨疲劳损伤和焊缝缺陷是铁路设施部件多发的故障之一，采用先进的技术手段对其进行高效和实时的检测，能够实现潜在事故的早期预报，做到防患于未然。
针对高速铁路钢轨损伤人工检修困难的问题，依据脉冲涡流无损检测原理，在ARM微处理器系统的基础上，优化设计一套以S3C44B0X控制芯片为核心的便携式高速铁路钢轨无损检测仪。
脉冲涡流法检测原理
脉冲涡流检测法的基本原理是脉冲信号源产生具有一定占空比的方波加到激励线圈两端，则激励线圈中就存在周期的宽带脉冲电流，激励线圈中的脉冲电流感生出一个快速衰减的脉冲磁场，变化的磁场在导体试件中感应出瞬时脉冲涡流，此脉冲涡流向导体试件内部传播，又会感应出一个快速衰减的涡流磁场，随着涡流磁场的衰减，检测线圈上就会感应出随时间变化的瞬态感应电压。脉冲涡流检测原理框图，如图1所示。
脉冲信号激励初级线圈电磁感应脉冲瞬变磁场电磁感应电磁感应瞬时脉冲涡流电磁感应再生瞬时磁场电磁感应检测线圈输出瞬时感应电压试件图1 脉冲涡流检测原理图
由脉冲涡流检测原理可知，脉冲涡流与检测线圈上得到的瞬态感应电压信号存在着对应关系，而瞬态感应电压信号相对脉冲涡流信号来说易于检测，所以通过测量瞬态感应电压信号就可以得到有关缺陷的尺寸、类型和结构参数等信息。缺陷所在深度越浅，对应的涡流产生的磁场越强，进而感应出的电压峰值就越高，而且该峰值出现的时间也越早；另一方面，在同样的深度条件下，缺陷越大，感应电压峰值越高。
钢轨检测仪的基本结构
高速铁路钢轨无损检测仪是为检测高速铁路钢轨损伤及零部件实际应用情况而设计的一套软、硬件相结合检测装置。整个硬件系统主要由传感器部分，激励发生部分，前置信号处理部分，系统控制部分、电源部分五大模块组成。钢轨检测仪的基本结构如图2所示。
输入传感器信号处理输入A/D转换器电源模块输出激励信号ARM微处理器中断键盘控制液晶显示输出声控报警控制存储电路 图2 钢轨检测仪的基本结构
(l)传感器：设计符合要求的检测线圈传感器，将钢轨试件的磁导率变化转化为可测量的电压信号。
(2)信号处理：采集微小电压信号通过检波以及低通滤波来去除干扰噪声信号，放大器将信号放大、然后经过A/D转化器将模拟电压信号转换为数字信号以供微处理器分析处理。为保证仪器精度A/D转换器分辨率大于12位。
(3)激励发生电路：为传感线圈提供不同频率不同强度的励磁电流，由微处理器和多路模拟开关实现该功能。
(4)系统控制电路：主要包括ARM微处理器、Flash和SDRAM外部存储器、JTAG调试电路等。
(5)人机互动部分：本设计采用LCD液晶显示屏和4*4矩阵键盘实现用户的操作。 (6)电源管理电路，为系统各个芯片工作提供可靠稳定的电压。主要提供I/O口使用的3.3V、ARM内核的2.5V以及外围电路使用的正负5V电压。
硬件设计
整个硬件系统主要由激励单元、传感器单元、信号处理单元、系统控制单元组成。其中控制部分包括S3C44B0X芯片为核心控制器件、模数转换、存储器件、液晶显示、行列式键盘和报警6部分。该仪器系统的硬件总体框图如图3所示。
芯片S3C44B0X的定时器产生频率和占空比均匀连续可调的周期性脉冲电流信号，此脉冲电流信号送至多路选择开关，选择不同的脉冲电流送往激励线圈，对应于激励脉冲信号的上升沿和下降沿，钢轨试件中会感应出脉冲涡流，而传感器的检测线圈能检测出试件中由涡流产生的瞬时磁场；检测线圈将其捕获到的电信号送整流、滤波电路后再送741 运算放大器放大，放大后的模拟信号送入模数转换器；最后，模数转换结果进行数据分析处理，将检测结果送LCD液晶显示，并且将检测结果送往FLASH保存，同时检测结果如果不相符合，则立即发出报警信号。
钢轨试件检测线圈整流电路滤波电路放大电路输出电源FLASH激励线圈多路开关RS-232PWMS3C44B0X显示报警A/D转换电路SDRAM键盘 图3 硬件系统整体框图
1、激磁选择电路
激励脉冲方波采用S3C44B0X控制芯片的PWM功能的定时器产生，脉冲方波的频率与占空比是通过软件编程对PWM进行配置，由于从S3C44B0X控制芯片的I/O口输出的是3.3 V电压，为了提高脉冲方波电压值，可再经过电压补偿电路后提高达到±5 V的电压，为了能够选择不同的脉冲电流值，脉冲方波电压再经过8个不同的电阻调节后进行八选一的片选芯片CD4051，最后加载到激励线圈，电路如图4所示。该设计激励部分的另一特点是未使用功率放大环节，因而可以有效地降低传感器的功耗。
图4 激励及八选一片选电路
2、前置信号处理电路
激磁线圈通以交流电后，测量线圈会相应的得到非常微弱的感应电信号，这个信号也是交流的，而且容易受到其他电路的干扰，在传输线路上也会很快的衰减，因此，检测到的信号首先要通过整流桥对信号进行整流，转变成毫伏级的直流信号；整流后的信号通过滤波去噪声处理，差分输入到OP07运算放大器放大250倍，将信号放大到伏级以便进行之后的模数转换。探头次级感应前置信号处理电路如图5所示，其中包括整流电路、滤波电路、直流放大电路。
图5 前置信号处理电路
3、传感器单元
传感器部分由激励线圈和检测线圈组成，采用自比较式的差动设计，用两个线圈同时在钢轨试样上实施检测。钢轨器件检测的相邻部位的材料物理性能与几何参数等通常都相差较小，对在钢轨面和钢轨腰上匀速水平移动的传感器的干扰一般较小，根据脉冲涡流检测原理，若钢轨试样顶面存在损伤，则检测线圈将有急剧变化的信号输出。设计中，选用初始磁导率较高的U型锰锌铁氧体作为传感器的磁芯，激励线圈与检测圈的绕线匝数为1∶4，尽量地增大有效磁导率，进而提高钢轨损伤检测的灵敏度，并且可以明显降低传感器激励线圈的功率。
4、A/D转换电路
A /D转换器选用ADS1110。它是精密的连续自校准△-Σ型A /D转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，提供内置的21048 V的基准电压，使用可兼容的IIC串行接口，可以在217～515 V的单电源下工作，ADS1110最高可以每秒采样240次进行转换，片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益并且允许以高分辨率对较小的信号进行测量，使用灵活，可扩展性强。ADS1110在设计中的应用电路如图6所示。
图6 A/D转换电路
软件设计
嵌入式系统软件设计中，传统的没有“系统”概念的软件设计方法已经无法满足应用需要，这就需要在嵌入式系统中加入操作系统。嵌入式操作系统是嵌入式系统硬件和软件之间的接口，可以提高软件开发效率,它的可靠性和稳定性直接影响着系统的运行性能。设计软件采用公开源码的μC /OS2Ⅱ多任务实时操作系统。
钢轨检测仪各任务与功能驱动部分采用C语言编写，在μC/OS一II实时操作系统中，系统在C语言部分首先进入Main()函数运行。Main()首先进行系统初始化，以便为主程序运行和系统各项功能的实现做准备；然后调用OSInit()函数进行操作系统初始化，为任务调度、操作系统运行等做准备；之后在Main()函数中通过调用0sstart()函数实现操作系统的多任务启动，开始执行优先级最高的任务。软件系统流程如图7所示。
开始创建主任务、功能任务系统初始化启动多任务调度μC/OS-II操作系统初始化进入主任务程序μC/GUI初始化通过全局变量执行各功能任务创建消息邮箱结束 图7 软件系统流程图
在嵌入式实时操作系统中，多任务的合理划分和优先级的合理设置，对整个系统设计十分重要。为了完成钢轨检测仪软件的功能，需要对软件系统划分多个任务，同时每个任务分配不同的优先级，这样各任务之间协调运行才能保证共同准确完成检测仪器所需要的功能。本软件系统根据功能要求，主要划分为以下几个任务：按键处理任务，激励PWM任务，A/D数据转换任务，LCD显示任务，数值算法处理任务。通过各个任务的协调来实现钢轨检测仪应用的完成，软件系统的应用程序流图如图8所示：