基于EPF20K300EQC240-1和TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)新型超聲探傷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

超聲波檢測(cè)作為一種常用的無損檢測(cè)技術(shù)之一，具有穿透力強(qiáng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、使用方便和安全性好的優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)品質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估、部件剩余壽命預(yù)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響，非破壞性地探測(cè)材料內(nèi)部和表面的缺陷大小、形狀和分布狀況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析逐步代替了傳統(tǒng)的超聲探傷方式，而大規(guī)模集成電路與嵌入式控制技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)高速、高可靠性、低功耗和低成本的超聲信號(hào)采集方案提供了可能性。

本文將FPGA技術(shù)和DSP單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種新型四通道超聲探傷數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，由FPGA配合DSP并行地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)工作，較好地解決了系統(tǒng)體積、功耗和處理速度等方面的矛盾。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的基于FPGA的數(shù)字化超聲探傷數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要包括超聲發(fā)射接收單元、信號(hào)調(diào)理單元（包括放大、檢波、濾波）、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)緩沖處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。其電路基本構(gòu)成如圖1所示：

圖1四通道數(shù)字超聲探傷數(shù)據(jù)采集處理電路原理圖

核心處理器DSP采用的是TMS320VC5402。該芯片是TI公司TMS320VC54X系列的DSP芯片，是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計(jì)的DSP芯片，主要應(yīng)用在通信、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中。該芯片采用CMOS制造工藝，屬于第七代DSP產(chǎn)品，它的工作頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。FPGA選擇一片美國(guó)ALTERA公司的APEX20K系列EPF20K300EQC240-1，它有300000的門陣列資源，240個(gè)管腳，152個(gè)I/O口，輸入輸出電壓可以兼容5V、3.3V、2.5V，應(yīng)用VHDL語言進(jìn)行編程控制。

超聲波探傷回波具有準(zhǔn)周期特性，A/D器件對(duì)波形的采樣實(shí)際上只需要很少的一段時(shí)間。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們采用了多通道時(shí)分復(fù)用技術(shù)。這一技術(shù)的核心思想是通過對(duì)模擬開關(guān)（MAX4141）的控制，依次對(duì)4個(gè)通道超聲波觸發(fā)和數(shù)據(jù)采樣，降低了系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制電路。發(fā)射電路的激活是由FPGA來完成的，當(dāng)FPGA輸出的同步控制脈沖加在某一發(fā)射電路上時(shí)，該發(fā)射電路便開始工作。超聲發(fā)射電路主要用于產(chǎn)生高壓窄脈沖信號(hào)（400V），此高壓窄脈沖信號(hào)加載在超聲探頭的壓電晶片上，將電能轉(zhuǎn)換為聲能（機(jī)械能）而產(chǎn)生超聲波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過通道選擇開關(guān)后，進(jìn)行信號(hào)放大與濾波，然后在FPGA的控制下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用一片高速ADC器件，依次完成各路數(shù)據(jù)的采集，采集的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)壓縮處理后存入其內(nèi)部的雙端口RAM中，然后由微處理器讀取數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)到硬盤中待分析。

2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要包括對(duì)射頻信號(hào)的檢波和前置濾波以及放大或衰減等。由于探頭輸出的缺陷信號(hào)很弱，現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境又很復(fù)雜，電源干擾、電磁輻射干擾很嚴(yán)重，因此對(duì)放大器的質(zhì)量要求很高，選擇AD公司AD603作為衰減器的主要器件。AD603具有線性分貝、噪聲低、頻帶寬、增益精度高、增益控制靈活等特點(diǎn)。采用三級(jí)放大，第1、2級(jí)放大器的增益范圍為-10dB-30dB，第3級(jí)的增益范圍為10dB-50dB，這樣衰減器增益在-10dB-110dB范圍內(nèi)變化，可以實(shí)現(xiàn)最大120dB的衰減量。放大器的增益由計(jì)算機(jī)輸入的增益控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 A/D采樣控制

作為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部分，ADC芯片選用的是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1449芯片，該芯片是一種10位、105MSPS、單3.3V電源、低功耗的高速A/D芯片，采用差分輸入，帶有高寬帶采樣/保持的10階段流水線型結(jié)構(gòu)，采樣信號(hào)每半個(gè)時(shí)鐘周期通過一個(gè)流水線段，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5.5個(gè)時(shí)鐘周期。每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都被輸入高速緩沖存儲(chǔ)器。在A/D轉(zhuǎn)換期間，高速緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線和讀寫信號(hào)由FPGA內(nèi)部的采樣邏輯控制單元產(chǎn)生。

4 FPGA與DSP功能接口設(shè)計(jì)

對(duì)DSP而言，F(xiàn)PGA是DSP的外部I/O端口，由地址和I/O讀寫信號(hào)譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的輸入輸出控制命令或?qū)ο鄳?yīng)的端口寄存器進(jìn)行操作。FPGA與微處理器的接口主要是用來為FPGA傳遞控制參數(shù)。比如，每一采集過程中的采樣點(diǎn)數(shù)、采樣點(diǎn)壓縮比率、延時(shí)參數(shù)、增益值等?？刂茀?shù)的傳遞，使得該套系統(tǒng)可以適用于不同波形采集的要求，從而實(shí)現(xiàn)了智能化。FPGA在內(nèi)部通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理以后，將有用的波形數(shù)據(jù)信息逐個(gè)存儲(chǔ)于外部雙端口RAM中，以供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用。

圖2 FPGA與DSP功能接口

5 數(shù)據(jù)壓縮處理

數(shù)據(jù)壓縮處理是對(duì)射頻信號(hào)高速采樣后進(jìn)行前置處理的重要環(huán)節(jié)之一，需要在保持超聲回波信號(hào)基本特征前提下對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線壓縮。而且要求壓縮后的數(shù)據(jù)與原始采樣信號(hào)的包絡(luò)相吻合，為此，我們?cè)诿看螇嚎s過程中，只取采樣所得的最大值，而舍棄其它采樣值。數(shù)據(jù)壓縮電路主要由壓縮比的存儲(chǔ)與計(jì)數(shù)，采樣前探頭前沿的延時(shí)存儲(chǔ)與計(jì)數(shù)，采樣控制，采樣比較與鎖存，壓縮比值計(jì)數(shù)，時(shí)序控制等電路組成。CPU將計(jì)算所得采樣數(shù)據(jù)壓縮比、探頭前沿延時(shí)計(jì)數(shù)值等數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)壓縮電路中相應(yīng)的鎖存器，然后發(fā)出時(shí)序復(fù)位命令，發(fā)射，啟動(dòng)探頭延時(shí)計(jì)數(shù)，延時(shí)到后啟動(dòng)A/D采樣，同時(shí)壓縮比計(jì)數(shù)電路開始計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，每采樣一次，壓縮比計(jì)數(shù)器減1，并將當(dāng)前采樣值與前次采樣值比較，如大于則保存，否則舍棄，直至壓縮比計(jì)數(shù)到零后得到一個(gè)有效的采樣數(shù)據(jù)。同時(shí)壓縮比計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)位，重新開始計(jì)數(shù)。其工作流程如圖3所示。

圖3數(shù)據(jù)壓縮軟件流程圖

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超聲波探傷儀采用中心頻率為10MHz探頭、100MHz采樣頻率對(duì)一塊含有人為缺陷的試塊進(jìn)行了A方式掃描，將原始數(shù)據(jù)和壓縮后數(shù)據(jù)保存下來，對(duì)原始信號(hào)波形（含噪聲）和最終壓縮處理后的信號(hào)波形作了對(duì)比，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，壓縮后的數(shù)據(jù)能夠很好的保留原始信號(hào)中的缺陷信息，滿足了實(shí)際需要。

圖4超聲探傷信號(hào)處理前后對(duì)比

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了多通道時(shí)分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)的四通道數(shù)字超聲檢測(cè)系統(tǒng)，在對(duì)波形采集的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是均勻分布的，既保留了波形的形狀，又保證峰值點(diǎn)不丟失，為探傷結(jié)果的后續(xù)分析奠定了基礎(chǔ)。

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