（通信与信息系统专业论文）全数字多通道自动化探伤系统的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 超声波探伤是应用广泛的无损检 9 1 4 方法之一。本文提出了一种基于f p g a 和 p c i 的全数字多通道自动化探伤系统的解决方案。该方案吸收了数字式超声波探伤 仪和虚拟式超声波探伤仪的优点，物理上分为专用模拟机箱和p c 机两部分。系统 中带p c i 接口的基于f p g a 的高速数据采集与处理板，充分利用了f p g a 的硬件资 源，有效的实现了数字检波、实时报警以及高速数据的实时压缩；其基于虚拟仪器 思想的p c 机应用程序，充分利用了p c 机强大的处理能力和丰富的资源，增强了 系统的智能化处理能力。 本文首先简要介绍了一些有关超声波探伤的基本概念，随后对系统的硬件和软 件实现方案作了详细论述。 关键词：超声波自动化探伤p c i 总线f p g a “一一_ h _ _ _ ，一， 一一一 全数字多通道自动化探伤系统的研制 a b s t r a c t u l t r a s o n j cf l a w d e t e c t i o ni sw i d e l yu s e di nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n ga p p l i c a t i o n sa 亿l ld i g i t a la n dm u l t i c h a n n e la n da u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nf p g aa n dp c i i si n t r o d u c e d t h ei n s p e c t i o ns y s t e mw h i c ha b s o r b st h ea d v a n t a g e so f d i g i t a lu l t r a s o n i c d e t e c t i o ns y s t e ma n dv i r t u a lu l t r a s o n i cd e t e c t i o ns ”t e mi sc o m p o s e do f as p e c i f i ca n a l o g b o xa n dap c w i 也ap c ii n t e r f a c e ，t h eh i 曲- s p e e dd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc a r d b a s e do nf p g a e f f e c t i v e l yr e a l i z e sd i g i t a ld e t e c t i o n r e a l t i m ea l e r t a t i o na n dr e a l t i m e c o m p r e s s i o no fh i g h s p e e dd a t a w i t ht h ep o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n ga b i l i t ya n dr e s o u r c e s o fp c ，t 1 1 ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ye n h a n c e st h e i n s p e c t i o ns y s t e m si n t e l l i g e n tp e r f o r m a n c e s n l i sp a p e r b r i e f l yi n t r o d u c e ss o m eb a s i cc o n c e p t sa b o mu l t r a s o n i cd e t e c t i o na n d t h e n d e t a i l e d l yd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no f t h eh a r d w a r ea n ds o l t w a r eo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：a u t o m a t i cu l t r a s o n i c i n s p e c t i o n p c if p g a 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章前言 超声波探伤是种先进的无损检测方法，利用材料内部缺陷的声学性质对超声 波传播的影响，可以非破坏性地探测出工件内部或表面缺陷( 如裂纹、气泡) 的大 小、形状及其分布情况【1 1 。超声波探伤以其检测灵敏度高、速度快、成本低等特点 在锅炉、铁路、桥梁、航空航天等领域得到了广泛的应用。 1 1 超声波探伤系统的发展过程 由于被检测材料的几何形状和声学性能干差万别，用户对检验的工艺方法、技 术标准、检验速度等方面的要求也各不相同，超声波探伤设备也是多种多样的，但 它们的基本构成原理和发展趋势却是相同的l 2 。 超声波探伤系统的发展过程可分为三个阶段，即模拟探伤系统、数字化探伤系 统、以计算机软件为核心的虚拟探伤系统。 传统的超声波探伤设备是由分立器件组成的模拟电路实现的。这类仪器只能完 成接受回波、放大、显示等基本功能，操作复杂，对回波的分析和缺陷的判定依赖 于探伤人员的观察和实际经验，所以测量精度低，主观误差较大。对于自动探伤设 备，多采用模拟多通道组合方式工作。其存在的问题在于动态的波形难以同时观察， 因而只能采用闸门内阈值报警和记录的方法。同时由于静态时缺陷回波高度与动态 时不同，缺陷的当量也难以判别。 数字化超声波探伤设备是计算机技术和超声技术相结合的产物。它承袭了传统 超声波探伤设备的基本模式，即脉冲反射法，并对回波信号进行a ，d 采样，使用单 片机实现数据的采集、显示、存储等功能。从a i d 的采样位置分类，数字化超声波 探伤设备又可分为模拟数字混合式和全数字式。前者的a i d 采样是在模拟检波电 路之后，由于检波后的波形是缺陷回波的包络，采样频率只需探头工作频率的2 5 倍；后者的a d 是对放大后的射频信号直接采样，为确保采到峰值，采样频率要高 得多。两种探伤设备都具有数据存储和运算功能，所以可以实现探伤过程中缺陷的 自动判别、定位、当量计算、存储和打印探伤报告。这不但解决了缺陷的记录问题， 而且减少了人为误差，提高了探伤结果的可信性。但是对自动化探伤而言，由于通 道数目多，控制复杂，用数字的方式进行数掘处理和通道间协调控制有很大的难度。 尽管国外已经有全数字式的产品，但价格极其昂贵，所以国内目前仍然采用多个模 拟通道组合起来使用。 近年来出现的虚拟式超声波探伤仪，是数字化超声波探伤设备向便携式手动探 伤没备发展的产物。这类探伤仪主要采用p c 机配合超声波数据采集卡。缺陷回波 的采样数掘通过1 s a 或p c i 总线进入计算机，利用计算机强大的运算能力和丰富的 全数字多通道自动化掇伤系统的研制 软、硬件资源，实现缺陷的定位识别、显示、通道控制、存储和打印等功能，不但 提高了仪器的性价比，而且提高的仪器的智能化程度，使得手动探伤更加简便和灵 活。同样，把多个数据采集卡同时插到计算机中，也可以实现多通道超声波探伤， 但是多块数据采集卡的同步控制很难实现，而且由于计算机所采用的w i n d o w s 、 d o s 操作系统都是非实时操作系统，自动探伤的实时报警要求也不能难以满足。因 此，如何把虚拟仪器的思想引入到自动探伤领域，也是本课题研究得问题之一。 1 2 课题研究的目的和内容 超声波探伤在常规无损检测方法中占有极其重要的地位。目前，超声波探伤设 备正面临着从模拟到数字化的变革。在手动探伤方面，国内已经出现了基于便携式 p c 机和各类检测卡的数字式探伤仪。但是自动化探伤设备仍然采用多通道模拟方 式实现。其可靠性差，测量精度不高，操作复杂，难以满足自动探伤的要求。 本文提出了一种基于f p g a 和p c 机的全数字多通道自动化探伤设备的设计方 案。该方案吸收了数字式超声波探伤仪和虚拟式超声波探伤仪的优点，并结合了数 字信号处理技术和计算机技术，物理上分为专用模拟机箱和p c 机两部分。系统中 基于f p g a 的高速数据采集与处理板，充分利用了f p g a 的硬件资源，有效的实现 了数字检波、实时报警以及高速数据的实时压缩；其基于虚拟仪器思想的p c 机虚 用程序，充分利用了p c 机丰富的软硬件资源，增加了系统的智能化处理能力。 我们设计和开发了具体的硬件电路和应用软件。系统样机经过调试，达到了预 定性能指标，表明了该方案是切实可行的 1 3 论文的结构和安排 本文第二章从超声波探伤的基本原理、超声波系统的组成以及超声波探伤设备 的主要技术性能三方面对超声波探伤进行了概述；第三章介绍了系统的总体方案； 第四章详细介绍了系统的硬件架构，描述了系统硬件的组成和一些主要的电路模 块，重点介绍了基于f p g a 的高速数据采集与处理板的设计；第五章介绍了整个系 统的应用软件的设计；最后对全数字多通道自动化探伤系统的研制过程进行了回顾 和总结，并对设备的应用f 景进行了展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章超声波探伤概述 超声波探伤技术在大型锅炉、发电机组、输油气管道、铁路、桥梁和航空航天 等领域得到了广泛应用3 1 。目前，国内已有多种型号模拟探伤仪和数字探伤仪，它 们在无损检测领域发挥了重要作用。 2 1 超声波探伤的基本原理 2 1 i 纵波探伤 使用直探头( 如图2 1 a ) ，使超声波通过耦合剂进入工件，如工件中没有缺陷， 超声波一直传播到工件的底面，如果底面光滑且平行于探测面，超声波被反射回探 头，探头将返回的超声脉冲变成电脉冲；如工件中有缺陷，超声脉冲的一部分被缺陷 反射回探头，其余部分到达底面后再反射回探头。 ：餮芸玉困 = 建憨芸长闶 蕊翔珥耐 坝檀冀偌 2 1 2 横波探伤 圈2 i 超声波探伤的两种原理 6 曩故攘捞 将纵波通过楔块、水等介质倾斜入射至工件探测面，利用波形转换得到横波进 行探伤的方法称为横波探伤法( 如图2 1 b ) 声波从上表面倾斜进入工件，经工件的 上下表面的反射形成“w ”形路径如果声波在没有遇到任何障碍，声波不会被反射 回来；如果声波在传播过程中遇到缺陷，部分声波被反射回探头，此波即缺陷波，声 波到达端角时，声波被反射回探头，此波成为端角波。 全数字多通道自动化探伤系统的研制 2 2 超声波探伤系统的组成 一个完整的超声波探伤系统由超声波探伤仪、探头和试块组成。 2 2 1 超声波探伤仪 超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它的作用是产生电振荡加至换能器探 头上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显 示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息。 超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目的、探 测场合、探测速度等方面的不同要求，因而有不同的超声波探伤仪，常用的有以下 几种【1 】= 一、按超声波的连续性分类 1 脉冲波探伤仪：这种仪器通过探头向工件局期性地发射不连续而且频率不变 的超声波，根据超声波的连续时间及幅度判定工件中缺陷的位置和大小。 2 连续波探伤仪：这种仪器通过探头向工件发射连续而且频率不变( 或在小范 围内周期性变化) 的超声波，根据透过工件的超声波强度变化来判断工件中有无缺 陷及缺陷大小。 3 调频波探伤仪：这种仪器探头发出的是连续的频率不断变化的超声波，根据 发射波与反射波的频差变化情况判断工件有无缺陷。现在大多已被脉冲探伤仪所取 代。 二、按缺陷显示方式分类 1 a 型显示探伤仪：a 型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表波 的传播时间( 或距离) 。纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷 的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。 2 b 型显示探伤仪：b 型显示是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机 械扫描代表探头的扫描轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间( 或距 离) ，因而可以直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。 3 c 型显示探伤仪：c 型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的纵、横坐标 都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光点狄度表 示，或者以不同的颜色表示。因而当探头在工件表面移动时，荧光屏上便显示出工 件内部缺陷的平面图像，但是不能显示缺陷的深度。 三、 按超声波探伤仪的通道分类 1 单通道探伤仪：出一个或- - x t 探头单独工作，是目前超声波探伤中应用广 泛的仪器。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 多通道探伤仪：这种仪器由多个或多对探头交替工作，每一个通道相当于 一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤，是将来超声波探伤仪的发展方向。 2 2 2 超声波探头 一、超声波探头的作用、种类及构成 1 、探头的种类 超声波探伤中由于被探工件的形状、材质、探伤目的、探伤条件不同，因而需 使用不同形式的探头。超声波探头按不同的归纳方式可以进行不同的分类，一般有 以下几种。 i 1 按波型分类 按被探工件中产生的波型可分为纵波探头、横波探头、板波( 兰姆波) 探头和 表面波探头。 【2 按入射声束方向分类 按入射声束方向可分为直探头和斜探头。 【3 按耦合方式分类 按照探头与被探工件表面的耦合方式可分为巍接接触式探头和液浸式探头。 【4 按晶片数目分类 按照探头中压电晶片的数目可分为单晶探头、双晶探头和多晶探头。 5 按声束形状分类 按照超声波声束的集与否可分为聚焦探头和非聚焦探头。 6 按频谱分类 按超声波频谱可分为宽频带和窄频带探头。 7 特殊探头 除一般探头外，还有一些在特殊条件下和用于特殊目的的探头。如机械扫描切 换探头、电子扫描阵列探头、高温探头、瓷瓶探伤专用扁平探头( 纵波) 及s 型探 头( 横波) 等。 2 、超声波探头的构成 超声波探头的结构与探头的类型有关，下面就分别对常用的纵波直探头、横波 斜探头及表面波探头的结构进行介绍。 1 纵波直探头 纵波直探头用于发射和接收纵波，它是由保护膜、压电晶片、阻尼块、外壳、 电器接插件组成。其结构如图2 2 所示。 全数字多通道自动化探伤系统的研制 毫一头 图2 2 纵深直探头结构示意图图2 3 横波斜探头结构示意图 f 2 】横波斜探头 这里仅对使用最广泛的由波型转换得到横波的斜探头进行介绍。我们知道，当 超声波从一种介质倾斜入射到另一种介质( 必须为固体) 时，在介质表面会产生反 射、折射及波型转换，当超声波入射角在第一临界角与第二临界角之间时，在第二 介质中就只有折射横波。横波斜探头就是利用超声波的这一性质设计制作的。横波 斜探头通常由声陷阱、吸声材料、透声楔块、晶片、阻尼块、电器接插件、外壳等 构成。其中声陷阱的作用是吸收在透声楔块界面反射的声波，减少干扰杂波。其结 构如图2 3 所示。 f 3 1 表面波探头 表面波探头的结构与横波斜探头类似，主要不同在于晶片发射的纵波入射角度 不同，即二者的透声楔块倾角角度不同。当超声波入射纵波的入射角大于或等于第 二临界角时，在第二介质表面会存在表面波，表面波探头就是利用这一原理设计制 作的。 二、 超声波探伤中探头的选用原则 超声波探头的类型很多，性能各异，因此根据超声波探伤对象的形状、对超声 波的衰减和技术要求合理选用探头，是保证探伤结果正确可靠的基础。对超声波探 头的选择包括探头型式、探头频率、探头晶片尺寸等。 1 探头型式的选择 般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的形型， 尽量使超声波声束轴线与缺陷垂直。直探头只能发射和接收纵波，波束轴线垂直于 探伤面主要用于探测与探测面平行的缺陷，如锻件、钢板中的夹层、折叠等缺陷。 斜探头是通过波型转换来实现横波探伤的。主要用于探测与探测面垂直或成一定角 度的缺陷，如焊缝中的未焊透、兴渣、未熔合、气孔等缺陷。表面波探头用于探测 工件表面缺陷，双晶探头用于探测工件近表面缺陷，聚焦探头多用于水漫探测管材 或板材。 2 探头频率的选择 超d i 波探伤频牢往o 5 1 0 m h z 之问，选择范围较大。一般选择频率时应考虑 南京航空航天大学硕士学位论文 以下几个因素。 1 由于超声波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为 2 ( ：超声波的波长) ，而 c = x f ( c 为超声波波速：f 为超声波的频率) ，在同一材料内超声波波速是一定 的，因此提高频率，超声波波长就短，探伤灵敏度提高，有利于发现更小的缺陷。 2 频率高，脉冲宽度小，分辨率高，有利于区分相邻缺陷。 3 】频率高，超声波刈匣，则半扩散角0o 小，声束指向性好，超声波能量集中， 有利于发现缺陷并对缺陷定位。 4 频率高，超声波刈匣，近场区长度大，对探伤不利。 5 超声波的衰减随超声波频率、介质晶粒度增加而急剧增加。 通过上面分析可知超声波探伤时频率的影响较大。频率高，探伤灵敏度和分辨 率高，波束指向性好，对探伤有利。但是频率高，近场区长，介质衰减大，对探伤 不利。所以在选择探头频率时，应综合考虑，全面分析各方面因素，合理选取。一 般说来，在满足探伤灵敏度要求的前提下，尽可能选取频率较低的探头。对于晶粒 较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高频率的探头，常用2 5 5 0 m h z 。 对于晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等工件，宜选用较低频率的探头，常用o 5 2 5 m h z ，否则若选用频率过高，就会引起超声波能量严重衰减，并在探伤仪示波屏 上出现“林状回波”，引起信噪比下降，影响对缺陷波的判断。 三、探头晶片尺寸的选择 探头晶片的形状一般为圆形和方形。圆形晶片直径一般为1 0 - - 2 0 m m 。探头的 晶片尺寸对超声波探伤结果有一定影响，选择时主要考虑以下因素。 1 半扩散角 晶片尺寸增加，半扩散角减小，波束指向性好，超声波能量集中，对探伤有利。 2 探伤近场区 晶片尺寸增加，近场区长度增大，对探伤不利。 3 晶片尺寸 晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范 围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。在探伤面积范围大的工件时，为了提高探 伤效率，宜选用大晶片探头；探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜 选用大晶片探头；对小型工件，为了提高缺陷的定位定量精度，宜选用小晶片探头： 对表面不太平整、曲率较大的工件，为了减少耦合损失，宣选用小晶片探头。 2 2 3 标准试块 所谓标准试块，就是指它的材质、形状、几何尺寸、性能等是由国际组织讨论 通过的，或者由某个旧家的权威机关讨论通过的。还有一些非标准的，可能是由用 户制定的参考试块，它们都是用束调节、校验仪器的。试块上这些已知的特征可以 全数字多通道自动化探伤系统的研制 造成特定的声学特性，超声波探伤仪在实际使用时常常采用与试块相比较的办法来 确定被检测物体的状况。 试块在超声波探伤技术中的应用主要有三个方面： 1 确定合适的探伤方法 有时在探伤之前，我们就预先知道或者大概知道缺陷可能发生在什么部位，也 有时仅仅需要探测某部位有无缺陷。我们可以应用在某个部位带有某种人工缺陷 ( 孔、凹槽等) 的试块来摸索合适的探伤方法。一般来说，在这样的试块上摸索到 的规律，也适用于与试块材质、尺寸相同的工件。 2 确定探伤灵敏度和评价缺陷的大小 大多数的探伤仪都有较大的灵敏度调整范围，以便能探测不同种类、不同厚度 的工件。在每次探伤时使用的灵敏度各不相同，为了能确定探伤时所采用的灵敏度， 就需要使用带有人工缺陷的试块。用人工缺陷波的波高表示探伤灵敏度，是最常用 的一种定量地表示灵敏度的方法。 评价被探工件中某一深度处缺陷的大小，可以利用试块，通过比较同一深度处 的各种人工缺陷波波高的方法来实现。这就是超声波探伤中常说的当量法。 3 测试和校验探伤仪及探头的性能。 2 3 自动化探伤系统的主要技术性能 超声波探伤设备的技术性能，实际上包括仪器的电子设备性能和超声波探头性 能，习惯上将仪器电子部分的性能称为探伤设备的性能，丽将仪器和探头的综合性 能称为超声波探伤系统性能。为此我国颁布a 型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术 条件( z b 2 3 0 8 4 ) 、超声波探伤用探头性能测试方法( z b y 2 3 t 一8 4 ) 和a 型脉冲反 射式超声波探伤系统性能测试方法( z b j 0 4 0 0 1 8 7 ) 等标准，这些标准都对超声波探 伤仪的各项技术指标测试方法作了明确的规定【2 j 。以下仅对与仪器结构有关的技术 性能及其对探伤的影响简单介绍一下。 1 工作频率，是指超声波探头的频率。它在很大程度上决定了趣声波探伤的能 力。在一般的接触法探伤中，对晶粒细小的材料采用2 5 - - 5 m h z 的频率；对晶粒粗 大的材料，采用o 5 2 5 m 也。 2 重复频率，是指超声波脉冲的发射频率。一般在5 0 - - 3 0 0 0 h z 之闻，国外的 有些高端产品可以做到1 0 k h z 以上。由于发射脉冲的周期必须大于声传播的时间， 所以重复频率与检测的距离是成反比的。 3 脉冲形态，是指超声波脉冲的持续时间。对广泛使用的负脉冲激励超声探头 而高，要求脉冲尽可能窄。如采用方波脉冲，当脉冲的宽度为探头工作频率周期的 j 2 时，输出的能量最大的。一般来 兑，上升前沿应小于探头的工作频率1 4 。 4 频带范圜，是指缺陷回波接收电路的通带范围。它取决于整个电路的频率特 南京航空航天大学硕士学位论文 性，包括放大、衰减器，集成运放，a d 转换等电路。目前大多数仪器工作在o 3 1 5 m h z 。通常，频带范围越宽，意味着对缺陷回波的失真越小。 5 增益衰减和动态范围，是与放大器的性能有关。由于接收信号强度的变化 范围很大，通常需要8 0 1 0 0 d b 的系统增益和衰减。动态范围是指放大器最大不失 真幅度范围，通常要大于4 0 d b 。 6 采样频率和采样分辨率，取决于a d 转换器的性能。这对于数字化探伤设 备是非常重要的衡量指标。采样的频率越高，缺陷回波的失真越小，回波的峰值不 容易漏检：采样分辨率越高，则缺陷峰值采样越精确，缺陷当量的估计越准确。 目前国内的数字化探伤设备通常采用1 0 m - - 2 0 m h z ，8 b i t 分辨率。 7 实时报警，是指计算机要在一个重复频率周期内实现对缺陷的报警。报警响 应的时间短，意味着可以采用更高的重复频率。一个完整的报警过程包括对缺陷判 定，缺陷的峰值和当量的计算，存储和缺陷显示。其中对于缺陷的判定尤为重要。 由于不同的场合和不同的要求有不同的判定的算法，报警响应处理的时间差异很 大。 全数字多通道自动化探伤系统的研制 第三章全数字多通道自动化探伤系统总体方案设计 3 1 系统功能及结构框图 现代的自动化探伤需要至少1 k h z 的重复频率，具备自动增益校正，同时需要 实现缺陷回波的快速定位、缺陷当量计算、门限报警及缺陷识别。本文提出的全数 字多通道自动化探伤系统将数字化探伤和虚拟探伤的优势结合在一起，用现场可编 程门阵列( f p g a ) 取代传统的单片机构成数据采集板，采集板通过p c i 总线实现 与p c 机的连接，并通过在v c + + 6 0 平台上开发的客户端应用程序来实现波形显 示、波形数据的进一步分析、用户操作控制等任务，这样一来就充分利用了p c 丰 富的软硬件资源。总的来说，系统具有以下四个基本特点： 1 系统是固定的；3 以p c 控制的虚拟设备； 2 基于p c i 接口总线；4 物理上分为专用模拟机箱和p c 机两部分。 系统的主要性能指标如下： 通道数： 1 6 采样频率：4 0 m h z ，1 0 b i t 工作频率范围：0 5 - - 2 0 m h z 重复频率： 1 k h z 检波方式：全波，正负半波，射频 发射电压：6 0 0 v 我们的样机最终能在o 5 - - 2 0 m h z 的工作频率范围内，在重复频率为1 k h z ， 采样频率为4 0 m h z 、采样精度为1 0 b i t 的情况下实现1 6 个通道同时工作的甚标，系 统运行稳定，性能优越。系统总体框图如图3 1 所示。 探 模拟f p g a 头 信号 显示 睦 处理 争 a d 数据 c p u o 板阵 压缩 打印 列及 列 处理 幽31 系统总体框幽 南京航空航天大学硕士学位论文 如图3 1 所示，系统由超声波探头阵列、专用模拟机箱、基于f p g a 的高速数 据采集与处理板阵列以及p c 机构成。 探头阵列由1 6 个独立的探头组成，主要完成对被测件的超声波发送和接收：反 馈回波由1 6 块单通道模拟信号处理板进行回波的采样前预处理，包括数控增益放 大衰减，信号调理等，并由高速数据采集处理板提供的同步触发脉冲实现对多个子 板实现同步触发；处理后的模拟信号进入高速数据采集处理板，经过采样后的数字 信号进入f p g a 经过非均匀抽取滤波，并由f p g a 完成报警判别和处理。p c 机响 应来自f p g a 的中断，通过p c i 读取波形显示数据、完成用户对系统的实时交互控 制。 3 2 系统的关键技术点 1 采用高速a i ) 为了获得不失真的缺陷被采样信号，对于5 m h z 工作频率的超声波探头而言， 至少需要4 0 - - 6 0 m h z 的采样速度。传统的数字化探伤设备，由于a d 采样速度只 有1 0 1 2 m h z ，通常在采样前加几个模拟包络检波器，以实现全波、+ ，一半波检 波。这种包络检波方式会把超声波缺陷回波的细节部分滤除，这就给缺陷的识别和 定量计算带来很大的困难，也使得仪器性能很难提高。而本系统的设计方案中采用 了高速的a d 芯片m a x l 4 4 6 ，采样速率6 0 m h z ，采样分辨率1 0 位。这样就去除 了模拟的包络检波电路，简化了模拟部分的电路。 2 基于f p g a 在数字域上实现数字检波 正如上面所说，通常的超声波探伤仪是在采样前加几个模拟包络检波器，以实 现全波、+ 一半波检波。这种包络检波方式会把超声波缺陷回波的细节部分滤除， 这就给缺陷的识别和定量计算带来很大的困难。本系统采用了新的数字检波技术。 在f p g a 中实现数字检波技术非常方便，事实上用v h d l 语言描述，采用很少的篇 幅就能实现。具体实现方法将在后面详细阐述。 3 基于f p g a 实现高速数字信号非均匀压缩和抽取 处理a d 采样后的高速数据流，传统的处理方案是在a d 采样厝接一个高速大 容量的数据存储器，然后由c p u 把数据逐一读出再进行处理。这种方案存在着很 大的弊端。首先，对于超声波探伤领域，为保证探测的深度，需要采样足够多的采 样点数，这就需要一个大容量高速存储器。对一个通道而言至少需要6 4 k * 1 6 位， 1 5 n s 以上的存储器，这样的成本是非常高的。其次，由于庞大的数据量以及对存储 器读取时日j 的要求，c p u 的处理受到很大的限制。因此我门提出了非均匀实时压缩 技术。该技术的核心思想是采用f p g a ，用硬件压缩的方法，以减小p c 的数据处 一全墼圭童垄望宴垫些堡鱼墨竺塑塑型 理量。这一技术是以传统的超声波探伤方法为依据，以高速f p g a 数字处理芯片为 依托，结合新的数字检波技术提出的，实践证明是切实可行的。具体的实现方法将 在下一章里详细阐述。通过采用这种技术，系统可以实现1 6 个通道同时工作和波 形实时显示。 4 通过p c i 总线实现f p g a 高速数据采集与处理板与p c 机接口 在本系统中我们开发了基于虚拟仪器思想的p c 机应用程序，充分利用了p c 机 强大的处理能力和丰富的软硬件资源来完成对缺陷回波进行后续处理，这样为超声 波探伤设备向智能化发展构建了一个有效的工作平台。系统中基于f p g a 的高速数 据采集与处理板通过p c i 总线与p c 机进行连接。 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章全数字多通道自动化探伤系统的硬件架构 全数字多通道自动化探伤系统由超声波探头阵列、专用模拟机箱、基于f p g a 的高速数据采集与处理板阵列以及p c 机构成。 4 1 专用模拟机箱 在专用模拟机箱中，设计有无源底板、模拟放大板及专用电源模块。 无源底板上设计了1 6 个6 4 针式插座用来安放1 6 个模拟放大板，底板上各插座 之间采用自定义总线组织。高速数据采集与处理板提供同步触发脉冲送至底板上的 触发电路，为1 6 个模拟放大板提供触发脉冲。同时底板上还设计有d b 2 5 接口， 用来接受从p c 机并口发送的各种控制信号如通道选择、单双探头选择及通道增益 等。 4 1 1 无源底板 无源底板主要完成1 6 个模拟通道的组织。提供各模拟通道与p c 机的连接接 口即d b 2 5 接口，同时提供+ 5 v ，士1 2 v ，4 - 6 0 0 v 电源接口，+ 5 v 和士1 2 v 主要用 来给模拟板提供电源，q - 6 0 0 v 用来给触发电路供电。 无源底板的结构组织如图4 i 所示。 幽4 1 无源底板的结构组织削 全数字多通道自动化探伤系统的研制 4 1 2 模拟放大板阵列 模拟放大板阵列由1 6 个独立的具有相同功能的模拟通道处理板组成。 1 模拟通道处理板电路框图 模拟信号处理板进行回波的采样前预处理，包括数控增益放大衰减，信号调理 等。其电路框图如图4 2 所示。 图4 2 模拟通道处理部分电路框图 2 数控增益放大，衰减电路 从探头接收的超声波弱电信号一般为毫伏级，部分信号为几微伏口j ，而a d 采样前的需要的信号范围为0 ，5 2 5 v ，因此为满足实际探伤要求，全数字多通道 自动化探伤设备的系统总增益应在6 0 - - 8 0 d b 左右。在实际设计中，本系统采用三 级放大，三级使用相同的压控放大器a d 6 0 3 ，并由一个d ，a 芯片m a x 5 0 8 控制， 用于控制的数字信号由p c 机通过并口提供。通过这样的设计，系统总增益范围为 0 - - 1 0 0 d b ，足以满足自动化探伤的要求。模拟通道的增益控制电路如图4 3 所示。 圈4 3 模拟通道增益控制电路 模拟通道增益控制电路中所采用的芯片a d 6 0 3 是一款低噪声压控放大器，具 有三种工作模式：+ 】0 d b 到+ 5 0 d b ，9 m h z 带宽：一l d b 到+ 4 1 d b ，3 0 m h z 带宽； 一1 l d b 到+ 3 l d b ，9 0 m h z 带宽【4 】o 后两种工作方式都能满足探伤系统所需的2 0 m h z 带宽要求。三片a d 6 0 3 均采用工作模式二，构成压控放大，衰减，当输入电压从5 v 南京航空航天大学硕士学位论文 n + s v 变化时，其增益的变化范围是从一3 d b 到+ 1 2 3 d b 。 压控放大器a d 6 0 3 的控制电压由一片d a 芯片m a x 5 0 8 给出。m a x 5 0 8 是一 款1 2 位数据长度、电压输出的d a 转换器f 5 】。1 2 位的分辨率满足了探伤系统的增 益精度要求，即最小增益调节步进o 1 d b 。m a x 5 0 8 输出电压在双极性工作模式下 的输出- - 5 v 到+ 5 v ，其输入输出的对应关系如表3 1 所示。 模拟通道板上的可编程控制逻辑芯片主要完成这样的功能：接受p c 机经并口 发送过来的控制信号，完成通道的选择及放大衰减的控制。在这里我们选用 a l t e r a 公司m a x 7 0 0 0 s 系列，该系列以第二代多阵列矩阵( m a x ) 结构为基础， 是一种高性能的c m o se e p r o m 器件，引脚到引脚的逻辑延迟为5 0 n s ，计数器工 表41m a x 5 0 8 双极性工作模式输入输出真值表 输入输出 1 1 1 11 1 1 11 1 1 1 + v r e 一2 0 4 7 2 0 4 8 1 0 0 00 0 0 00 0 0 1 + v r h + 1 2 0 4 8 1 0 0 00 0 0 00 0 0 00 v 0 1 1 11 1 1 11 1 1 1 - v r e ，1 2 0 4 8 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 - v r e ，2 0 4 7 2 0 4 8 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 - v r e f 作频率达1 7 8 6 m h z l 6 1 。系统中选用的是e p m 7 0 6 4 s l c 4 4 ，它拥有1 2 5 0 门逻辑，6 4 个宏单元以及4 个逻辑阵列块。并且可以通过j t a g 接口实现在线编程。可编程逻 辑器件的引入极大的简化了电路的体积，并且可以随时修改控制部分的电路，增加 了设计的灵活性。 4 1 3p c 机与专用模拟机箱的并行接口 在系统中用户可以对探伤系统的各种参数进行设置。在众多的设置中模拟通道 的选择、增益的控制以及单双探头的选择是通过p c 机发送并口信号来实现的。p c 通过一次地址写周期以及三次数据写周期( 控制单双探头的数字信号、m a x 5 0 8 的 低8 位和高4 位数字信号各占用一个数据写周期) 来完成上述三方面的设置。 现在的并口模式有3 种：s p p ，e p p 和e c p 。其中e p p 又分为e p p l 7 和e p p l 9 两种模式。并口的设置包括两个方面：一方面是指并口的i ，o 地址( a d d r e s s ) 和中 断( i r q ) ；另一方面是指并口的模式( m o d e ) 。 出i n t e l 、x i r c o m 和z e n i t hd a t as y s t e m s 发起制定的增强型并口( e n h a n c e d p a r a l l e lp o r t ，缩写e p p ) 协议及以后的i e e e1 2 8 4 标准极大的改善了p c 机并口的 数抓传输能力，使得利用并口数掘传输速率达到了接近p c 机内部i s a 总线的能力， 全数字多通道自动化探伤系统的研制 其传输速率可以达到2 m b p s ”。 e p p 协议信号定义如表4 2 所示【”。 表4 2e p p 协议信号定义 信号名信号方向信号描述引脚 n w r j t e 输出低电平写，高电平读 1 n d a t a s t b输出低有效，表示对数据进行读写1 4 n a d d r s t b 输出低有效，表示对地址进行读写1 7 n r e s e t 输出复位，低有效 1 6 n n q t r 输入外设中断，低电平表示正在通讯，高1 0 电平表示结束 i 1 w a i t 输入握手信号1 1 a d o a d 7双向 数据，地址线2 9 用户定义输入 1 2 ，1 3 ，1 5 e p p 协议定义了四种传输周期：数据写周期、数据读周期、地址写周期、地址 读周期。数据周期一般用于主机和外设间的数据传送：地址周期般用于传送地址、 通道、命令和控制等信息。地址周期和数据周期的区别仅仅在于端口选定 h a d d r s t b 或n d a 泌s t b 中的哪一种脉冲。前者为a d d r s t b ，后者为d a f 八s t b 。 地址写周期把地址信息发送到e p p 寄存器，同时地址读周期从该寄存器读识别信 息。数据读、写周期在p c 机与外设器件间传送命令测试结果，通过读写e p p 接口 寄存器，硬件就产这些i 0 周期。设计者可以灵活应用这些数据，地址信息以满足各 自的特殊需求。 表4 3 描述了e p p s p p 寄存器接口1 7 。 表4 3e p p s p p 寄存器接口 端口名称位移量方式类型描述 s p p 数据口 0s p p写s p p 数据口 s p p 状态口 1s p p 读输入状态线 s p p 控制口 2s p p 写设置控制线状态 e p p 地址口3e p p读，写产生地址读写周期 e p p 数据口 4 e p p 读写产生数据读写周期 1无定义 7 为保持与s p p 兼容，e p p 寄存器不占用接口三个低地址。对基地址+ o 一+ 2 南京航空航天大学硕士学位论文 口i o 操作，其结果与标准型并口相同，这就保证了它与标准型并t z ：；, l - 设和打印机 的兼容性。如表3 3 ，e p p 数据口地址比e p p 基地址高4 ，通过发送一个单i o 写指 令到“基地址+ 4 ”，e p p 控制器就会启动一次数据操作周期，然后用输入，输出指令 完成数据读写。在对基地址+ 3 的u o 操作，产生地址周期。基地址+ 5 一十7 口可为 其它的硬件设备所用。与s p p ( 标准并行口) 相比，e p p 不需要其它从主机送来的 信号就能执行数据交换。当主机把数据写到数据缓冲区时，总线上自动产生数据选 通信号。同样，从端口读入数据时也是自动产生数据选通信号来表示系统正准备接 收下一批数据。 在我- i t 的系统中，p c 机只需执行数据地址写操作从而实现对模拟通道的通道 号及增益控制。图4 4 描述了e p p 模式下数据写周期的时序图。 入 巳 ： s t r x 有效数据 【 图4 4e p p 写数据周期时序图 1 程序向e p p 的d a t a 端口发送一个1 1 0 写周期指令 2 插入n w r l t e 信号，同时数据出现在并行端口数据线上 3 当n w a i t 信号变成低电平之后，插入数据选通信号 4 端口等待来自外设的应答信号( 取消n w a i t 信号) 5 取消数据选通信号，e p p 周期结束 6 1 1 0 周期结束 7 插入n w a i t 低电平信号表明可以开始下一个周期 地址写周期除了把n d a t a s t b 信号换成n a d d r s t b 之外几乎完全一样。 4 2 基于f p g a 的高速数据采集与处理板阵列 基于f p g a 的高速数据采集与处理板阵列出四块独立的功能结构相同的采集与 全数字多通道自动化探伤系统的研制 处理扳组成。每块采集与处理板上设置有四个a d ，每一个a d 对应于来自专用模 拟机箱的个模拟通道。另外，每个采集板上有两片f p g a ( e p l k 5 0 ) ，用来完成 对采样后的数据进行处理。每一片e p l k 5 0 完成两个通道的信号处理。整个采集板 通过p c i 插槽与p c 相连，关于采集板的详细情况将在下面予以介绍。 4 2 1 高速数据采集与处理板的功能及结构框图 以f p g a 为核心的高速数据采集与处理板主要实现硬件的高速数据采集、硬件 实时数据压缩、通道实时报警以及与p c 机之间的通信。 采集板以f p g a 为核心，通过1 0 位，采样频率高达6 0 m h z 的高速a i d ( m a x l 4 4 6 ) ，采样来自专用模拟机箱送来的超声波回波信号，送至f p g a 进行处 理。采集板的结构框图如图4 5 所示。 图4 5 高速采集板结构框图 a d 变换器采用的是m a x l 4 4 6 ，其时钟频率可高达6 0 m h z ，这是一款1 0 位的， 供电电压为+ 3 0 v ，带内部参考的低功耗a d c 佯j 。在系统中由晶振为m a x l 4 4 6 提 供4 0 m h z 的采样时钟。此款a d 满足我们对采样精度和采样速率的要求。 高速数据采集板阵列接受来自模拟信号处理板的经过采样前预处理的模拟信 号，并对其进行采样，采样后的数字信号进入f p g a ，在f p g a 内完成非均匀数据 压缩和抽取，并完成报警判定。在满帧数据后，f p g a 向p c 机发出中断，p c 机 响应来自f p g a 的中断，通过p c i 读取波形显示数据。圈4 6 描述了f p g a 实现的 功能结构框图，这里给出的是一个e p l k 5 0 内的功能实现框图，其中通道2 由于与 通道1 在连接上完全类似，因此略画。 南京航空航天大学硕士学位论文 a d l 采样信 触发脉冲产生及始 波偏移控制模块 4 0 删z 触发脉冲 p c i 2 0 4 0 接口模块 数字检波模块 l 非均匀数据实时 i 压缩和抽取模块 l 实时报警模块 图4 6f p g a 实现的功能结构框图 4 2 2f p g a 的选择、设计及配置 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m 而a b l eg a t ea r r a y ) 和复杂可编程逻辑 器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 同属于近年发展起来的大规模可 编程专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e d f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 。可编程a s i c 器 件的使用，使电子产品达到小型化、集成化和高可靠性。而f p g a 器件的现场可编 程技术和c p l d 器件的在系统可编程( i s p ) 技术，使可编程器件在使用上更为方 便。随着e d a 技术的进步和软件开发系统的曰趋完善，应用f p g a 和c p l d 进行 电子系统设计已成为发展趋势例。 经过一系列的仿真验证和性价比的比较评定，我们最后选择了a l l 忑r a 公司的 a c e x l k 系列的e p l k 5 0 。f p g a 的开发平台则选用的是m a x + p u j s 。 1 a c e x l k 系列简介 a c e x l k 器件是a l t e r a 公司着眼于通信、音频处理及类似场合的应用而推出的 芯片系列，总的来看，它将会逐步取代f l e x l o k 系列，成为首选的中规模器件产 品。a c e x l k 器件具有以下优点： 高性能。a c