基于微控制器的便携式共面电容无损检测系统

殷晓康，邓承杰，曹 松，李 伟，陈国明，周 凯

（1. 中国石油大学（华东） 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580；2. 山东省特种设备检验研究院有限公司，山东 济南 250101）

基于共面电容测量的电容成像无损检测技术因其非接触、易操作及适用范围广等独特性能，逐渐成为电磁无损检测技术研究的热点。该技术利用共面电容探头电极间的边缘探测场，对非导电被测对象内部缺陷和金属表面缺陷进行检测，已被成功应用于玻璃钢、混凝土和绝缘包覆金属构件等常规无损检测技术难以使用的检测对象[1-4]。

近年来，在大量理论研究和实验实证的基础上，电容成像技术正逐渐从实验室向现场应用转化。但由于现有电容成像无损检测系统多采用交流激励法的检测方案，系统由电荷放大、锁相放大、信号采集与处理等多个相对独立的系统模块集成，便携性和现场适应性有待提高。同时，常规电容成像检测系统由于设备成本较高，用于机电专业相关课程教学时仅适合用于演示实验，无法满足学生的实操需求。

鉴于此，本文开发了兼具教学实验价值和现场适应性的便携式共面电容无损检测系统。系统以STM32为主控制器，以自行设计的主控和电容探头为核心，搭配双电源方案，整合电容测量、交互显示等模块，实现了反映被测对象缺陷信息的微小电容信号的检测、处理和显示功能。

1 检测系统功能和总体设计

本系统以玻璃钢等非导电材料构件的缺陷检测为典型应用场景，采用主机与探头分离的设计方案，可针对作业环境和目标结构定制、选配探头，提高系统的灵活性。检出缺陷以云图和峰值图两种形式直观显示，检测数据可掉电保存并可方便导出。

系统硬件分为主机和探头两部分。主机由STM32F446最小系统、电源、调试模块、显示模块、按键模块和带电可擦可编程只读存储模块（EEPROM）组成。探头由共面电容传感器和微小电容测量模块构成。主机与探头使用串口通信，统一供电。系统硬件框架如图1所示。

图1 实验系统硬件框架图

系统软件以 STM32CubeF4软件包、触摸屏驱动包、FreeRTOS软件包为基础。其中，STM32CubeF4软件包提供微控制器编程所需的硬件抽象层库文件；触摸屏驱动包提供ILI9486显示控制芯片和XPT2046触摸控制芯片的驱动程序；FreeRTOS软件包为开源软件，为系统提供稳定可靠的实时操作系统内核。系统软件的各项功能均按照可调度的任务形式部署在实时操作系统上，各个任务通过内核的任务调度机制统一管理。系统软件的主要任务包括系统开机自检、桌面环境初始化、传感器通信、数据动态显示、数据后台记录和系统参数设置等，如图2所示。

图2 检测系统软件框架图

2 检测系统硬件设计

高效且稳定的硬件设计是保证实验系统可靠性的重要前提，主要包括围绕微控制器的主控设计和围绕电容传感器的探头设计。

2.1 微控制器及其最小系统

检测系统使用意法半导体公司 STM32F446微控制器。该控制器采用32位ARM Cortex-M4核心，工作频率高达180 MHz，且自带浮点运算单元，与传统51单片机相比，功能更强大，性价比更高[5]。通过开启浮点单元，可以有针对性地加快数据的处理速度[6]，能满足进行实时彩色图像运算的性能需求。该控制器拥有512 kB闪存和128 kB的SRAM，为彩色人机交互界面程序提供了足够的存储和运行空间。外设方面，该控制器拥有3个12位模数转换器（ADC）和4组最高速度可达45 Mb/s的串行外设接口（SPI），可以支持大分辨率的串口触摸屏，能满足实验系统的设计需要。

微控制器最小系统由微控制器、匹配晶振、电源电路和复位电路构成，电路如图3所示。

STM32F446的工作电压为3.3 V，为满足系统可依靠内部紧凑电源独立运行的需求，设计了可通过跳线手动选择的双供电方案，分别为由两节 AA电池供电的升压供电方案和由5 VMicro-USB接口供电的降压供电方案。跳线JP1用于选择内外部供电模式，JP2、JP3选通电压输入，JP4、JP5选通电压输出。系统上电开机时，红色LED常亮。系统供电电路如图4所示。

2.2 系统外围模块

系统显示模块采用ILI9486驱动芯片和XPT2046电阻式触摸屏控制器方案。屏幕支持二值、灰度和RGB565颜色编码，分辨率为480×320像素。显示模块使用SPI与微控制器通信。

系统按键模块按照微控制器GPIO上升沿中断触发模式设计，共设有5个独立功能按键供用户使用。

系统EEPROM使用意法半导体M24C64芯片。该芯片采用I2C串行总线，引脚简单且传输速率高，使用广泛[7]。芯片内置8 kB存储空间，用于存储实验系统历史数据。

2.3 共面电容传感器设计

图3 微控制器最小系统电路

图4 供电电路

共面电容传感器因其结构简单、无需耦合、非接触及单面检测等优势，广泛用于非导电材料缺陷的无损检测。前期研究表明，电极面积、形状、间距等设计参数可直接影响穿透深度、灵敏度、信号强度等检测性能指标，需根据被测对象和目标缺陷进行设计与优化[8-11]。图 5为所设计电容传感器及其主要参数示意图，该传感器为双层印刷电路板，三角形覆铜面作为激励和接收电极，形成电容的测量电极对，印刷电路板背面覆铜并接地以屏蔽干扰。其主要参数包括：b为三角形电容极板底边长，h为三角形电容极板高度，L为电容传感器基板宽度，W为电容传感器极板高度，s为激励与接收极板之间距离，测量电极对由屏蔽电极包围（宽度常选用1 mm）。针对不同的检测对象与目标缺陷，可通过设计参数的改变与配合，有针对性地完成探头传感部分的设计。

图5 共面电容传感器示意图

2.4 微小电容测量模块设计

为精确测量共面电容传感器的微小电容，选用艾迈斯公司（AMS AG）PCAP02低功耗电容数字转换器及其外围器件组成的微小电容测量模块。PCAP02利用直流充放电法检测微小电容，具有fF至nF的宽量程范围和最高500 kHz的刷新速率，可同时对多达8个电容器进行实时测量。转换器芯片内部集成DSP，功耗低且运行速度快[12]。图6为PCAP02芯片的内部结构示意图。

图6中PCAP02芯片内部内置了1～31 pF的参考电容，考虑到本系统无损检测用共面电容传感器的实际电容值，在PC0和PC1端口处额外增加1 pF的COG陶瓷电容作为系统的参考电容。此时PC2和PC3端口分别连接待测电容（共面电容传感器）激励极板和接收极板，对被测电容和参考电容进行快速的充电放电。通过内置的高精度时间数字转化器（TDC）对充放电时间进行记录与转换，实现微小电容的精确测量。

图6 PCAP02内部结构

为本系统开发所设计的基于PCAP02的微小电容测量模块的印刷电路图及实物如图7所示。

图7 微小电容检测模块

图 7中 C10、C11为耦合电容，R1、R2、R3为I2C的上拉电阻，R4、R5、R6为接地电阻。本系统中，上述微小电容测量模块与节2.3所述共面电容传感器一并封装于铝制壳体中，形成电容探头，如图8所示。该探头的传感器设计参数为：b=6 mm，h=8 mm，L=20 mm，W=10 mm，s=2 mm。根据不同检测需求，可设计不同的共面电容传感器并制成可更换的电容探头。

图8 电容探头

3 检测系统软件设计

3.1 基础程序设计

系统软件使用Keil MDK集成开发环境编写。该环境支持软件的编写、编译、链接和调试，操作简单且功能强大[13]。系统软件功能以底层相互独立的功能程序为基础。各功能程序分别编写，并为后续构建交互界面和控制机制提供软件接口。检测系统软件各基础功能程序如表1所示。

表1 基础程序表

以触摸屏程序为例，由于触摸屏的显示控制芯片和触摸控制芯片共用一个 SPI，需要先对接口进行配置。详细硬件配置参数如表2所示。

表2 微控制器SPI配置表

在屏幕正常点亮的基础上，对驱动包提供的绘点函数、数字显示函数、英文字母显示函数等进行测试。确认驱动移植成功后，通过对以上三个函数的灵活调用，编写了几何图形绘制、字符串打印、RGB565图片显示等多个常用绘图函数，基本满足了系统的需要。按键程序通过中断响应实现，按照外部引脚上升沿触发模式配置。在中断触发后，中断响应程序对特定用户变量置位，配合响应程序将用户操作应用到系统中。

3.2 人机交互界面设计

基础功能程序的实现为人机交互界面的设计提供了条件。通过对图形显示接口的调用和封装，分别实现了桌面和独立应用窗口的设计。

检测系统软件桌面由快捷方式、菜单按钮和状态栏组成。通过点击快捷方式或按下独立按键，可以打开对应的数据动态显示窗口和系统参数设置窗口。菜单按钮为二级菜单，在不使用按键的情况下，提供触摸解决方案。状态栏可提示主机与探头的连接状态，并告知当前系统状态。

人机交互界面为探头信号显示和系统参数设置提供了独立的窗口。

探头信号的动态显示窗口提供了云图和峰值图两种直观显示方式，如图9所示。动态显示窗口左侧为依据电容测量值绘制的环形等效云图，可直观反映探头所在位置缺陷信息：该云图在探头覆盖位置无缺陷时为绿色；有缺陷时其中心位置呈现红色，红色越深，代表探头所在区域电容畸变值越大，缺陷越严重。动态显示窗口右侧为检测信号峰值图，依据参考基准信号给出当前信号的百分比强度，定量表征缺陷的严重程度。动态窗口置顶时，可按下相应独立按键改变探头的工作模式，支持连续采样和单次触发。在连续采样模式下，动态图像的刷新速率作为系统性能的重要指标，通过优化的绘制算法保障；单次触发模式下可以记录采样数据用于后续检测结果的处理与扫查曲线显示。

图9 探头信号动态显示窗口

系统参数设置窗口可调整系统的运行参数，如进行屏幕的亮度调节、时间设置、历史记录清除等。

3.3 操作系统设计

由于各基础功能程序无法单独运行，且前端消耗系统资源多，对检测系统实时性影响较大，需使用FreeRTOS实时操作系统统一管理各功能程序，通过算法指导内核进行调度，保证系统的实时性。FreeRTOS可在降低软件系统各功能程序间耦合度的基础上有效利用资源，并通过信号量、消息队列等功能减小系统的设计难度，有利于实现原型系统的快速开发[14-15]。在 FreeRTOS实时操作系统框架下，检测系统软件中的各基础功能程序与单独的任务对应。任务具备独立的任务名称、任务句柄和任务函数，其中任务函数是功能程序的二次封装。本系统涉及的任务主要包括开机自检任务、桌面绘制任务、窗口绘制任务、用户输入响应任务、传感器通信任务和系统参数调整任务等，如表4所示。

以检测系统最为基础的上电开机，调用动态数据显示功能为例，其任务调度流程如图10所示。

表4 系统任务表

图10 动态数据显示功能流程

各任务调度的时序如图11所示。在T1时刻，自检任务启动。在 T2时刻，完成自检，创建桌面绘制任务并删除自身；此时系统只有桌面绘制任务存在，该任务在屏幕上绘制出桌面。在 T3时刻，完成桌面绘制并创建管理任务，同时删除自身；此时管理任务开始监视用户输入。在 T4时刻，捕获用户打开数据窗口命令，创建数据窗口绘制任务，并阻塞自身。在T5时刻，数据窗口绘制任务完成，创建探头通信任务，阻塞自身；探头通信任务运行，对探头进行参数设置并接收探头数据。在 T6时刻，通信任务接收到有效数据，阻塞自身；窗口绘制任务得以继续运行，进行显示数据的刷新。在 T7时刻，管理任务运行，未检测到用户输入命令，再次将自身阻塞。在 T8时刻，数据窗口继续刷新。第一次刷新过程至T9时刻结束，同时进入新的刷新过程。

图11 任务调度示例时序

4 系统测试

将各硬件模块集成、封装并下载所开发软件后，最终形成的检测系统如图12所示。系统采用两节AA电池供电，主机和探头均使用铝制外壳，主机设计有电源开关和功能按键，便于携带和操作。

图12 检测系统实物图

通过实验室实验和现场实验对所开发系统进行功能和适应性测试。

实验室实验采用带人工预制缺陷的玻璃钢试块。试块厚度为2 mm，缺陷为1组从左至右直径分别为3、5、7、9、11 mm的平底圆孔，圆孔深度均为0.5 mm，如图13所示。

图13 带平底圆孔缺陷玻璃钢试样

检测实验过程中，操作人员手持图8的电容探头从该试块不含缺陷一侧沿试块中心线进行线扫描，检测系统测量并存储所检测的电容值。在线扫描过程中，系统动态显示窗口以云图和峰值图实时显示由缺陷造成的电容变化。扫描结束后，从系统中提取扫描结果，并绘制电容变化曲线如图 14所示。由图 14可见，5个缺陷显示为检测曲线的5个凹陷，凹陷处的检测值与基值差异明显且差值与圆孔的尺寸正相关，展示了系统对该类缺陷良好的检测能力。

图14 玻璃钢试样缺陷扫描结果

现场实验选用500 m3玻璃钢制污水储罐，该罐体表面因施工质量及老化等原因出现渗漏迹象，如图15中红框部分所示。

图15 玻璃钢储罐表面渗漏

考虑到罐体厚度（100～150 mm），图8的探头无法对该储罐进行全厚度检测，故设计并制作大尺寸探头（见图16）并与所开发检测系统主机配合使用。

图16 玻璃钢储罐检测用电容探头

图 16中探头的传感器设计参数为：b=60 mm，h=80 mm，L=200 mm，W=100 mm，s=30 mm。探头壳体设有滚轮，以适应储罐表面的曲面扫查。利用该探头对罐体渗漏水渍（红框）上方区域（未呈现水渍）进行扫描，以找寻罐体内壁实际破损区域。对图 15红框上沿100 mm处进行往返两次线扫描的结果如图17所示。往返扫描结果中，电容曲线呈现两次凸起，故可断定内壁破损区域至少在红框上方 100 mm以上，为找寻实际破损区域，需在更上方区域进行扫查。需指出的是，两个凸起峰值不同是由于储罐表面不平造成的探头提离距离变化导致。测试实验表明，所开发系统可对储罐隐藏渗漏区域进行有效检测。

图17 玻璃钢储罐渗漏区域扫查结果

5 结语

本文以共面电容传感技术和微控制器应用技术为基础，面向玻璃钢等非导电构件的无损检测需求，开发了基于STM32微控制器的共面电容无损检测系统。系统可对非导电材料进行单面非接触快速扫查，将缺陷数据以动态图形的形式直观呈现，实现非导电关键构件的缺陷筛查，具有良好的现场实用价值。

系统软硬件具有较好的开放性，适配与电容探头相同接口的其他类型传感器，可进行微控制器编程与测试训练或完成各类参数测试与信号处理实验，因此该系统也可作为教学实验仪器使用，从而丰富“机电信息检测与处理技术”“无损检测技术”“微控制器原理与应用”等机械电子工程领域专业课程教学内容，并使课程紧跟行业的热点方向，以培养学生解决复杂工程问题的能力。