（车辆工程专业论文）车轴数模超声检测仪的研制.pdf

保密- k 2 年 删蹴删劬他 t h e d e v e l o p m e n t o fa n a l o ga n dd i g i t a l u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mf o ra x l e d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：4 砷也邕 驴分年弓月沙日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：0 邗逆堂 刎8 年弓只卯e l 摘要 摘要 超声波探伤是一种应用广泛的无损检测方法之一，它在机车车轴探伤中发挥 着重要的作用。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，超声探伤设备的研究与 开发也进入了一个新的阶段。为了不断提高对车轴的探伤能力，本论文研究了车 轴数模超声检测仪。 为了满足机车车轴探伤的特点和工艺流程，本论文研究了车轴数模超声检测 仪的各项性能指标，讨论了车轴数模超声检测仪专用软件模块化的设计方法，并 运用f p g a 进行采样控制、数据存储，同时使用u s b 2 。0 总线技术进行数据传输， 使设备的性能得到提高。 本论文主要包含了以下几个成果：采用可编程a s i c 技术实现了超声数字信 号处理软件的集成与固化；提出了一种基于p c 平台和f p g a 的新型嵌入式模块化 的超声探伤仪的硬件与软件设计方案；提出了一种基于u s b 总线和f p g a 技术的 硬件系统的嵌入式模块设计方案：并详细讨论了硬件电路的总体设计和通用模块 的选择方法，设计了一个可调增益达1 2 0 d b 的可编程增益控制电路，对电路中采 用的可编程放大器a d 6 0 3 、模数转换器m a x l 4 4 6 、数模转换器m a x 5 0 8 等主要器件 的原理、特性及应用方法作了较为详细地介绍与分析。 关键词：超声探伤，f p g a ，u s b ，车轴 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l a w d e t e c t i o ni sa w i d e l yu s e dm e t h o di nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g a p p l i c a t i o n i tp l a y sag r e a tr o l ei nd e t e c t i n gl o c o m o t i v ea x l e s f o rt h ei n e x o r a b l e m a r c ho fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rs c i e n c e ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f u l t r a s o n i cf l a w d e t e c t i o nd e v i c ea l s os t e p san e w s t a g e i no r d e r t oi m p r o v et h e r e s o l u t i o no ft h ed e t e c t e da x l e ，w eh a v ed e v e l o p e dak i n do fa n a l o ga n d d i g i t a l a p p a r a t u sf o rl o c o m o t i v ea x l e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sa n dp r o c e s so fr a i l w a yl o c o m o t i v e sa x l e sf l a w d e t e c t i o n ，w er e s e a r c h e da l lt h ep e r f o r m a n c e so ft h ea p p a r a t u so fa n a l o ga n dd i g i t a l u l t r a s o n i cf l a w d e t e c t i o na n dd i s c u s s e dt h ed e s i g no fi t sm o d u l e m o r e o v e r , i no r d e r t ou p g r a d et h ep e r f o r m a n c e so fm a c h i n e ，i ti sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ef p g at o r e s t o r et h ed a t aa n dc o n t r o lt h ed a t as a m p l e a tt h es a m et i m e ，t h es a m p l ed a t aw a s t r a n s m i t t e db yu s b2 0 t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t0 fa l l ，t h es o f t w a r eo f u l t r a s o n i cs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ep r o g r a m m a b l ea p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t si st r a n s f e r r e dt oi n t e g r a t e dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ；， s e c o n d l y , an e wr t o sp r o j e c ti sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nu s b a n df p g a ；。， m o r e o v e r d i s c u s s i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n d t h ec h o i c eo ft h ec o m m o n m o d u l ei nd e t a i l ，d e s i g nt h ea p r o g r a m m a b l eg a i nc o n t r o lc i r c u i t sw i t haw i d er a n g eo f 1 2 0 d bg a i nv a r i a t i o nc o n s t r u c t e dw i t ht h ep r o g r a m m a b l ea m p l i f i e ra d 6 0 3 f i n a l l y , t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so ft h ep r o g r a m m a b l ea m p l i f i e ra d 6 0 3 ，t h ea n a l o gt o d i 酉t a ld a t ac o n v e r t e rm a x l 4 4 6 ，t h ed i g i t a lt oa n a l o gc o n v e n e rm a x s 0 8 a r e d i s c u s s e dd e e p l y k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l a w - d e t e c t i o n ，f e g a , u s b ，a x l e l i 誓。 目录 目录 第1 章引言1 1 1 超声无损检测的历史1 1 2 当代超声设备的发展与技术2 1 3 超声无损检测的原理2 1 3 1 纵波探伤2 1 3 2 横波探伤3 1 4 车轴数模超声检测仪的主要性能3 1 5 自动化探伤对探伤设备的要求4 1 6 超声波探伤仪的发展机遇与挑战5 1 7 课题的提出及内容6 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计一：8 2 i 系统的整体设计? 8 2 2 发射电路设计9 2 2 1a d 9 8 5 0 工作原理j 1 0 2 2 2a d 9 8 5 0 的接口电路设计1 l 2 3 接收电路设计：n 2 3 1a d 6 0 3 工作原理及增益电路设计1 2 2 3 2i 舱x 5 0 8 - r 作原理及接口电路设计1 4 2 4 显示电路设计。1 5 2 4 im a x 7 2 1 9 工作原理1 5 2 4 2k a x 7 2 1 9 接口电路的设计1 7 2 5 数据采集电路设计1 7 2 5 1m a x l 4 4 6 工作原理1 8 2 5 2 姒x 1 4 4 6 接口电路的设计1 9 2 6u s b 通讯电路设计1 9 第3 章车轴数模检测仪系统的软件设计2 1 3 1 单片机控制系统的程序设计2 l l l l 目录 3 1 1a d 9 8 5 0 的软件设计2 2 3 1 2g a x 5 0 8 的软件设计：2 3 3 1 3g a x 7 2 1 9 软件设计2 4 3 1 4 按键扫描程序的设计2 5 3 2 数据处理和逻辑控制程序设计2 6 3 3 应用程序设计2 8 3 4u s b 通讯程序设计3 0 3 4 1 固件程序设计3 0 3 4 2 驱动程序设计3 l 第4 章车轴数模超声检测仪的f p g a 实现3 2 4 1v h d l 语言简介：3 2 4 2f p g a 开发环境简介及芯片的选取3 3 4 2 1f p g a 开发环境简介3 4 4 2 2f p g a 芯片的选择和性能分析3 4 4 j3f i f o 的设计：3 4 4 3 1f i f o 电路分析：? j ? ：3 5 4 3 2f i f o 端口定义3 5 4 3 3 功能仿真3 6 4 4 分布式f i r 滤波器的设计“j 3 7 4 4 1f i r 数字滤波器结构3 7 4 4 2 分布式算法的基本原理一j _ 3 8 4 4 3 分布式f i r 滤波器的f p g a 实现3 9 4 4 4 设计结果4 1 4 5 数据采集控制模块的设计4 2 4 5 1m a x l 4 4 6 设计中的注意事项4 2 4 5 2m a x l 4 4 6 逻辑控制电路的仿真4 3 4 6e z - u s b 控制模块的设计4 4 第5 章车轴数模超声检测仪中u s b 体系概述4 5 5 1u s b 基本构架4 5 5 1 1u s b 主控制器和u s b 根集线器4 5 5 1 2u s b 设备4 6 l v 目录 5 1 3u s b 集线器4 6 5 2u s b 的电气特性4 7 5 3u s b 的电源管理4 7 5 4u s b 的传输模式：4 7 5 4 1 控制传输4 7 5 4 2 批量传输4 8 5 4 3 中断传输4 9 5 4 4 同步传输4 9 5 5u s b 总线枚举一4 9 5 5 1 枚举步骤4 9 5 5 2u s b 总线操作5 0 5 6e z u s bf x 2s l a v ef i f o 5 1 5 6 1s l a v ef i f o 引脚5 l 5 6 2 实现同步从属f i f o 的写5 2 5 6 3 实现同步从属f i f o 的读j5 3 5 6 4s l a v ef i f o 存储器一5 4 5 6 5 自动输入输出方式5 4 第6 章车轴数模超声检测仪的u s b 接口设计5 6 6 1u s b 硬件接口设计5 6 6 1 1u s b 接口芯片的选择5 6 6 1 2c y 7 c 6 8 0 1 3 的介绍：5 6 6 1 3c y 7 c 6 8 0 1 3 系统设计5 9 6 2 固件设计6 3 6 3 驱动程序的设计6 6 一 第7 章车轴数模超声检测仪的系统抗干扰措施7 0 7 1 高速系统的接地策略和电源抗干扰研究7 0 7 1 1 印制电路板上的地线处理7 1 7 1 2 模拟数字混合器件的地线处理7 1 7 1 3 采样时钟电路的地线处理7 2 7 2 高速信号的布局、布线和抗干扰措施7 3 7 2 1 信号反射的消除7 3 v 目录 7 2 2 信号旱扰的抑制7 3 7 3 敏感元器件的抗干扰策略7 4 第8 章论文总结7 5 致谢7 6 参考文献7 7 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 9 v l 第1 章引言 第1 章引言 超声检测作为一种重要的无损检测手段应用于广阔的领域，检测设备的性能 直接影响被测部件的安全运行期和使用寿命的正确判断。随着数字技术的发展， 超声探伤设备也从模拟化发展到数字化，性能有了很大的提高。数字化、智能化、 小型化和降低成本成为新的发展方向。 1 1 超声无损检测的历史 通常将频率高于人耳能听到的音频的声波称之为超声波。超声波的频率一般 在2 0 k h z 以上。人们很早以前就了解到自然界蝙蝠发出5 0 k h z 左右的超声波 短脉冲，感受到反射波后便能避开与墙壁等的碰撞。超声探伤也采用完全相同的 原理，而且频率还要高一些，通常为0 5 m h 7 _ , - 2 5 m h z 。在均匀材料中，缺陷的 存在将造成材料的不连续，这种不连续往往伴随声阻抗的不一致，而超声波在两 种不同声阻物体的交界面上将发生反射，反射能量的大小取决于界面两边物体声 阻的差异与界面的取向和大小。脉冲反射式超声探伤仪就是基于这个基本理论。 1 9 4 4 年美国e a f i r e s t o n e 发表了采用超声脉冲法探伤仪的报告。1 9 4 6 年英国 d 0 s p r o u l e 制成a 型脉冲反射式超声探伤仪，- 并用于钢材的探伤。到本世纪5 0 年代，a 型脉冲反射式超声探伤仪应用于世界先进工业国家的钢铁、机械制造和 造船工业领域。1 9 6 4 年德国k r a u t k r a m e 公司研制成功小型超声探伤仪，其主要 性能指标取得了突破性的进展，标志着跨入了近代超声探伤技术阶段，在本世纪 七八十年代，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头和大规模集成电路、计算 机技术的迅速发展，使得数字化、自动化、智能化超声检测和超声成像技术变成 了热点。另一方面，由于各种新型材料，特别是高性能功能材料的发展，使得超 声检测广泛地应用于材料物性评估，超声检测技术与断裂力学和材料科学发生了 更加深入密切的联系，在工业领域中得到更加广泛的应用u 儿。 超声波在物体中传播时，总是携带着表征其物理性能的各种信息，利用超声 波的各种传播特性，提取这些信息，用来分析和评价被检测对象的仪器，称为超 声检测仪器。超声检测仪器按其用途可分为工业用超声检测仪器，理化分析超声 检测仪器和医用超声检测仪器。本论文研究的车轴数模检测仪是属于工业用超声 检测仪器的一种，主要对金属和非金属的伤痕检测。 超声探伤仪按其显示模式可分为a 型显示、b 型显示、c 型显示、d 型显示 和p 型显示。在工业的探伤检测中主要使用a 型显示和b 型显示两种显示模式。 第1 章引言 按其探伤的对象又可以分为金属和非金属探伤仪。本课题研究所设计的车轴数模 超声检测仪是a 型显示的金属超声探伤仪。所谓的a 型显示，即以横坐标代表 超声波的传播时间，以纵坐标代表反射脉冲的高度。对于同一均匀介质，由于传 播时间与缺陷深度成正比，故可以由反射信号所在位置确定缺陷深度，同时还可 以根据反射脉冲的幅度形状判断缺陷的大小和形状n 6 1 。 1 2 当代超声设备的发展与技术 国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究 的公司有美国的泛美( p a n a m et r i c s ) 公司、m e t e c 公司，加拿大的r dt e c h 公司，德国的k - k 公司、法国的s o f r a t e s t 公司和西班牙的t e c n a t o m 公司 等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较 高，在世界上处于领先水平u 。 我国的超声探伤起步较晚。近几十年，由于改革开放以来工业的迅速发展， 我国的超声探伤技术也得到了较快的发展。总的看来，现在的自主研发能力还比 较薄弱，还是以引进先进技术加以组装，改进为主。国内设计和生产的超声检测 设备不管是在工作频率、数字采样率、衰减器、分辨率、动态范围、灵敏度余量 上都要比国际先进水平差一些。目前市场上超声探伤仪主要具有以下功能：( 1 ) 存储、回放、打印曲线( 2 ) 高精度定位、定量的分析( 3 ) 自动制作d a c 曲线( 4 ) 可自己制定不同的标准，根据不同的标准制定自动报警曲线( 5 ) 可测厚度( 6 ) 任意 点可以选择等功能。随着我国科技实力的进一步提高，预计我国的超声探伤检测 技术将在广度和深度上得到长足的进步。 1 3 超声无损检测的原理 1 3 1 纵波探伤 纵波探伤是使用直探头，使超声波经耦合剂进入工件，如果工件没有缺陷， 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， 其原理图如图1 1 所示，探头将返回的超声脉冲变成电脉冲，如果工件有缺陷， 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来。 2 第1 章引言 t 、 1 3 2 横波探伤 探测面 工件 探头 卜_ 一 缺陷至探头距离 - - - - 叫 工件厚度 卜_ | 缺陷波水平刻度 卜- - 一 底波水平刻度 图1 1 纵波探伤 缺陷 底面 横波探伤是将纵波通过水，楔块等介质倾斜入射至工件探测面，利用波型转 换得到横波进行探伤的方法叫做横波探伤法。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，则部分声波被反射回探头，此波则 为缺陷波，声波到达端角时，声波被反射回探头，此波成为端角波，其原理图如 - 图1 2 所示 4 o l 卜入 始波 缺陷波 端波 图1 2 横波探伤 t 1 4 车轴数模超声检测仪的主要性能 工作频率：是指超声波探头的频率，它在很大程度上决定了超声波仪器的探 伤能力。在一般的接触法探伤中，对晶粒细小的材料采用2 5 一s m h z 的频率，对 晶粒粗大的材料采用0 5 1 m h z 的频率。本车轴数模超声检测仪的工作频率设计 为2 5 m h z 。 重复频率：是指超声波脉冲的发射频率。一般在5 0 h z 一3 k h z 之间，国外的 一些高端产品也可以做到1 0 k h z 以上。重复频率与检测的距离成反比，所以发 3 第1 章引言 射脉冲的周期必须大于声波的传播时间。 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 而言，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的一 半时，输出的能量最大。一般来说，上升沿应小于探头工作频率的1 4 。 频带范围：是指缺陷回波接收电路的通带范围。它取决于这个电路的频率特 性，包括放大、衰减器，集成运放，a d 转换等。目前，大多数仪器为0 3 。1 5 m h z 。 通常缺陷回波的频带范围越宽，意味着对缺陷回波的失真越小。 增益衰减：与放大器的性能有关。接收信号的强度变化范围很大，通常需要 8 0 1 2 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的范围，通常要大于4 0 d b 。 采样频率和采样分辨率：取决于a d 转换器的性能，这是数字化探伤设备 的非常重要的衡量指标。采样频率越高，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，缺陷峰值采样越准确，缺陷当量的估计越准确。目前 国内的数字化探伤仪器一般采用1 0 2 0 m h z 的采样频率和8 b i t 的采样分辨率。 本课题研究中采用了4 8 m h z 的采样频率和1 0 b i t 的采样分辨率。 1 5 自动化探伤对探伤设备的要求： 一。一。、，。、 相对于依赖探伤人员主要观察的手工探伤而言，自动探伤对回波信号的缺陷 波型的定性分析较差。尤其在恶劣的工作环境中，信噪比很低，容易产生误报。 因此除了满足一般探伤设备的技术要求外，还必须满足以下几点主要要求： 1 ) 具有两个以上的探伤通道，能根据需要实现任意通道间的组合。自动探 伤中采用多个探伤通道，这些通道在同一个控制单元控制下按照预定的方式协调 工作。各个通道的性能应该一致，及不同的通道对同一个缺陷的检测应该是一致 的。对复杂的应用场合，还需要能够灵活的配置各个通道，进行多通道数据的协 同处理，并实现智能管理和控制。 2 ) 高效可靠的自动缺陷识别 在自动探伤现场，探伤人员不可能靠观察来判定缺陷，所以探伤设备应具有 自动增益校正，缺陷的自动识别等 3 ) 极强的抗干扰能力 自动探伤设备附近一般有大型的机电设备，生产现场也有焊接机，行车等的 存在，因此电源条件比较恶劣，电磁干扰比较大，自动探伤仪一定要在这种环境 下连续工作，抑制干扰，有效的减少误判和漏检。 4 ) 强大的信号后处理功能 4 第1 章引言 数字化超声波探伤仪依托计算机可以进行频谱分析、图像处理、模式识别等 复杂的数字信号处理。其中高速数字信号处理，功率谱分析，人工智能等技术的 应用，使得探伤的定性分析和定量的判定以及可靠性方面都取得了突破性进展。 1 6 超声波探伤仪的发展机遇与挑战 近年来以微电子学和计算机技术为基础的信息技术飞速发展，r r 技术在改 变人们生活方式的同时，正在促进传统产业的升级换代，与r r 技术紧密相关的 超声无损检测技术也得到了前所未有的发展动力旧。这主要表现在如下几个方 面： 1 ) 随着半导体工艺的进步，大规模数字i c 的集成度越来越高，使得s r a m 的密度和容量越来越大，计算机运算速度与处理能力也越来越高，大大加快了超 声模拟信号处理的数字化进程。 2 ) 电子电路设计与计算机技术的融合所产生的e d a 技术的发展，改变了传 统的电路设计方式、整个电子产品的开发过程不再像从前那样由设计工程师根据 原理设计电路、选购元器件、制作p c b 板、焊板调试，在调试中发现问题后修 改设计，再做p c b 来验证。传统的电子产品的设计开发具有较大的盲目性，特 别是随着系统复杂程度的提高，电路的人工分析十分困难，通过样机调试来发现 问题的办法使得开发成本高、周期长。而在设计阶段借助于e d a 软件对所设计 的电路进行虚拟的在线仿真、可以对电路结构和参数进行任意修改，直至达到设 计要求。由于e d a 开发工具中的元件库的参数均来自各器件供应商的原始设计 参数和工艺参数，所以这种模拟与实际电路的运行极为相似。此外，对电路的分 析不再受到复杂程度的限制，减少了样机调试中的风险，大大加快了产品开发的 进度。 3 ) a s i c 技术和以c p l d 、f p g a 为代表的可编程器件的发展，使得集成电 路的设计发生了巨大的变化。电子产品研发人员不再只是集成电路的使用者，而 可以将所设计的系统的某些功能或整个系统设计成用户定制的专用集成电路或 直接由c p l d 、f p g a 来实现。特别是近年来f p g a 技术的发展非常快，为了迎 接系统级芯片时代，f p g a 在向密度更高、速度更快、频带更宽的百万门方向发 展。f p g a 具有许多系统级特性，如r a m 、高速f i f o 和d l l 以及软内核的支 持，特别适合粘合逻辑的应用。另外，为了适应全球环保潮流，f p g a 也在向低 电压低功耗的绿色元件方向发展。尽管目前f p g a 在集成度、运行速度、模拟电 路的集成方面还不能与a s i c 相比，但f p g a 所具有的优点使它在许多领域可以 代替a s i c 或a s s p 芯片，为系统设计人员快速提供所需的全套解决方案。 5 第1 章引言 4 ) 计算机以其开放的总线结构为工业控制和测试仪器提供了硬件与软件平 台。在总线结构方面，i s a 总线基于处理器管脚的物理连接，直接提供对c p u 的访问和中断控制，适合于嵌入式的系统解决方案；u s b 总线提供非常通用的 开放式硬件软件环境，它的应用非常广泛，并且还在扩展，代表了目前通用测 试仪器的发展方向；p c i 总线支持碎发传输模式，数据的传输速率可高达每秒 1 3 2 m b y t e s ，适合于图象处理等数据传输量大的场合。在测试仪器的软件开发方 面，除了可采用应用非常广泛的c + + 、v b 等语言外，还能借助于m a t l a b 等工具 软件完成复杂的信号处理运算。另外，采用实时l a b v i e w 编程软件可为测试 提供额外速度，用户用常规的方式编写程序，然后在测试系统上运行实时版本的 程序，能获得高速执行的最佳状态。总之，工业测试仪器的发展趋势是仪器与 p c 更有效的结合。 j 综上所述，新技术的发展为超声无损检测仪器提供了难得的发展机遇，同时 也使开发人员面临着巨大的挑战，也就是说超声无损检测的开发面临着巨大的人 才竞争。首先，多学科的交叉融合要求研发技术人员具有很高的综合素质，在超 声仪器的开发中，传统的系统设计、模拟电路与数字电路的设计、软件的开发之 间的界限将越来越模糊，要开发出好的超声检测仪器，必须培养既有扎实的声学 知识、丰富的探伤现场经验，又要掌握现代r r 技术的创新人才。其次，新知识、 新技术的不断出现加快了知识更新的速度，缩短了超声检测仪器的更新周期，这 些都是对研发技术人员所提出的挑战。也许美国国家仪器公司总裁j a m e s t r u c h a r d 的话表明了仪器行业目前面临的环境。他说：“爱迪生发明新产品时， 只有很少的助手，所有工作都是自己完成。爱迪生之后，产品设计由许多工程师 组成的设计小组来完成，每个人只负责其中一部分工作，采用手动测试和计算， 要花很长时间才能完成设计任务。而现在，p c 的功能、实验室系统的通用性、 方便的软件工具更有助于设计小组发挥其创造性，尽管现在设计师的发明不如爱 迪生多，但每个人的知识都很丰富，具有很高的综合素质，采用设计小组的方式 无疑是一个巨大的进步，也是一项所面临的挑战。”w 囊 1 7 课题的提出及内容 车轴是机车的重要部件，不论是国内还是国外，车轴探伤一直受到运输企业 和机车新制、检修单位的高度重视，因为一旦车轴发生断裂，后果将不堪设想。 车轴很容易发生疲劳裂纹，而这种裂纹通常发生在车轴的镶入部，因而裂纹完全 是隐蔽的。事实上，在不退轮的情况下，除超声波外，没有其他方法具有足够的 灵敏度能探测这些裂纹，所以超声波探伤一直是检测车轴疲劳裂纹的重要手段。 6 第1 章引言 除疲劳裂纹的隐患外，从一些断裂的车轴中发现，车轴内部的晶粒度粗大和金相 组织不均匀以及车轴内部的原材料缺陷等，也是引起车轴发生断裂的隐患。因此 1 9 8 5 年，铁道部制定了t 1 6 1 8 8 5 机车车辆车轴超声波探伤标准，该标准将 超声波技术应用于车轴材质透声性能和内部有害缺陷的检测。我国目前的机车车 轴检测一般使用传统超声仪器，由手工探伤，检测效率低，对检测人员技术要求 高，劳动强度大，容易造成误检、漏检等。因此本课题研究的专用车轴数模超声 检测仪具有很大的实际应用价值，它可以提高工作效率，提高车轴探伤准确性。 进行第六次大规模提速后，现在铁道机车车辆的速度达到了2 0 0 k m h 左右， 而车轴是车辆安全运行的重要部件，因此装备高质量、没有缺陷的车轴是保证车 辆安全运行的重要条件。因此十分有必要发展超声检测新技术，排除有缺陷的车 - 轴，保证车辆的安全运行。 本论文主要是对车轴数模超声检测仪的硬件电路和数据采集及通讯方面的 研究，采用了目前市场上流行f p g a 芯片和u s b 总线技术，可以提高数据采样的 频率和数据传输的速度。 7 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计 车轴数模超声检测仪硬件电路主要包括发射电路、接收电路、显示电路、数 据处理电路和数据传输电路等五个部分组成。在设计过程中我们采用模块化设计 方法，使系统的整体结构更加完善，系统的性能得以提高，方便维护和调试。探 伤仪的具体原理框图如图2 1 所示。在以后的章节中我将首先介绍系统的整体构 架，然后分别介绍超声波发射电路、接收电路、显示电路、数据处理电路和数据 传输电路等的具体设计。 2 1 系统的整体设计 图2 1 探伤仪框图 车轴数模超声检测仪采用单片机系统和f p g a 作为超声波探伤仪的核心，它 通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。单片机系统以 灯8 9 s 5 2 为c p u ，它是由美国a t m e l 公司生产的低电压、高性能8 位c m o s 单 片机，片内含8 k 字节的f l a s h 或e p r o m 和2 5 6 字节的r a m ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 5 1 指令系统及8 0 5 2 产品 引脚兼容u 。盯8 9 s 5 2 接收检测电路的外部中断信号，也接收来自开关的信息， 并对输入的信息进行处理，从而确定探伤仪的工作状态及输出探伤仪的发射电路 8 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计 的工作频率、接收电路的控制电压和显示电路的显示。f p g a 系统选择a l t e r a 推 出的一款高性价比的f p g a 为核心。c y c l o n ee p l c 6 具有异步、双端1 2 1 、带寄存 器的输入口、可选择的带寄存器输出口的存储模块m 4 k 。它拥有6 0 0 0 门逻辑阵 列，1 8 5 个i o 管脚，5 1 2 k b y t e 高速异步s r a m ，4 m ( 1 2 8 m b i t ) 高速s d a r m ， 4 m ( 3 2 m b i t ) 快速f l a s h ，最高工作频率达到1 6 6 m h z “of p g a 主要用来进 行数据采集和u s b 通讯的逻辑控制，同时对采集到的数据进行滤波处理及进行 存储以及对整个数据处理部分的时序控制。单片机系统以及f p g a 系统的整机系 统原理图如图2 2 所示 按键 显示 2 2 发射电路设计 图2 2 单片机系统以及f p g a 系统的整机系统。 超声波发射电路是车轴数模超声检测仪系统中的关键组成部分。它决定了一 个系统所能达到的最终指标。超声换能器一旦选定，其性能参数( 如机械共振频 率、声波辐射等效电阻等) 也己经确定u “。而发射电路设计的好坏将直接影响超 声波的发射效率。超声检测中常用的发射电路可分为三类：即单脉冲发射电路、 方波调制的脉冲波发射电路和连续波发射电路。这三类电路各有其特点，可根据 应用场合选用不同的发射电路。本设计采用直接数字合成技术的超声波发射电 路，选用的芯片是a d 9 8 5 0 由它产生2 5 m h z 的波型。 发射电路的工作原理是在发射控制信号的作用下，产生激励超声波探头的高 压脉冲信号。因此本发射电路主要由三大部分组成：( 1 ) 单片机a t 8 9 s 5 2 控制d d s 芯片a d 9 8 5 0 产生频率为2 5 m h z 的波形信号；( 2 ) 使用功率开关m o s f e t 模块 i r f 8 3 0 进行功率放大；( 3 1 ) 电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。在 本论文中将主要介绍a d 9 8 5 0 的工作原理和a d 9 8 5 0 与单片机接口的连接。 9 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计 2 2 1a d 9 8 5 0 工作原理 a d 9 8 5 0 是a d 公司生产的采用先进的c m o s 技术的直接频率合成器，主要 由可编程d d s 系统、高性能模数变换器( d a c ) 和高速比较器三部分构成，能实 现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能m 1o 图2 3 所示是a d 9 8 5 0 直接数字频率合成芯片的内部工作原理框图。图中的 内层虚线是一个完整的可编程d d s 系统。外层虚线是a d 9 8 5 0 的主要组成部分。 由图可见，a d 9 8 5 0 内含可编程d d s 系统的高速比较器，能实现全数字编程频 率合成。它的核心是由一个加法器和一个3 2 位寄存器组成。 正弦 j l 。 n ，l ，il p f 擎 微一相警制 【_ j 阳网1 l7 ， 方 控 一甲二一i i 厶f i 询表i i 比较器t -蕈 制 器 一频擎制h 豇一豁p 一 图2 3a d 9 8 5 0 内部工作原理图 单片机与a d 9 8 5 0 的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，但为了充 分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式。本 设计中就是采用了并行输入的方式。 a d 9 8 5 0 有4 0 位控制字，3 2 位用于频率控制，5 位用于相位控制，1 位用于 电源休眠控制，2 位用于选择工作方式。这4 0 位控制字可通过并行方式或串行 方式加载到a d 9 8 5 0 。图2 4 为控制字并行输入的控制时序图。在并行加载方式 下，通过8 位总线d 0 - , d 7 将外部控制字输入到寄存器，在w c l k ( 字输入时钟) 的上升沿装入第一个字节，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5 个w c l k 的上升沿读入5 个字节数据到输入寄存器后，w c l k 的边沿就不再起作用。然 后在f q u d ( 频率更新时钟) 上升沿到来时将这4 0 位数据从输入寄存器装入到频 率相位寄存器，这时d d s 输出频率和相位更新一次，同时把地址指针复位到第 一个输入寄存器以等待下一次的频率相位控制字输入。 d a t a wc l k i i q _ u d 舡f 妯c 厂 厂 n 几广 厂 厂 一厂 广 s 一眩弦缓弦缓冱孩弦缓弦弦弦弦茏茏茏茏茏翕胚画 图2 4 并行输入时序图 1 0 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计 2 2 2a d 9 8 5 0 的接口电路设计 单片机与a d 9 8 5 0 的接口电路图如图2 5 所示。整个电路以单片机a t 8 9 s 5 2 为控制核心，用并行输入的方式实现a d 9 8 5 0 控制字的写入，并为其提供时钟脉 冲。a d 9 8 5 0 的输人时钟采用1 2 m h z 的晶振，由此可知，系统的分辨率为 0 0 0 2 7 9 h z ，频率范围可以从几h z 到几m i - i z 。将单片机的i 0 口p 1 连接a d 9 8 5 0 的并行输入口，p 0 6 和p 0 7 分别连接到a d 9 8 5 0 的w c l k 和f q u d 引脚作为时 序控制。a d 9 8 5 0 控制字写完之后，便输出相应频率的方波信号q o u t 。图2 6 为波形信号发生电路图，由于a d 9 8 5 0 产生的信号电流小，驱动能力弱，需经 m o s f e t 栅极驱动芯片t p s 2 8 1 1 驱动后才能控制m o s f e t 模块。a d 9 8 5 0 产生 的信号q o u t 经过一个光耦隔离后输入t p s 2 8 1 1 。采用高速光耦来实现单片机 与接口电路之间的电气隔离，保护系统电路。光耦选择高速器件一般用6 n 1 3 7 或t l p l l 3 ，以满足电路在高频下的正常运行。 妻擎 知d o 专d 1i 。d 2 1 j l- 萎垂二 垂1 51 釜 7 图2 5 单片机与a d 9 8 5 0 的电路连接图 d a c b l g n d g n d g n d g n d 经分析研究设计中要注意时钟信号的上升沿和下降沿应无大的尖峰和凹坑， 时钟信号必须用地线屏蔽，以防干扰。同时还要有良好的去耦电路，且去耦电容 尽可能靠近器件，并应注意良好接地，模拟地和数字地一定要分开。 2 3 接收电路设计 超声波接收电路的作用主要是把由超声波换能器返回的电信号在送数据采 集系统之前进行信号的调理。由于在信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大， 6一乃一n一蝎一 一殂一 b m 一 一 5一m一堋一孔 w w 腮岍 叶四 踟硒 删踟 萋鼋嚣 丽啪叭眦眦m眦晰m 一 0 西1234567s ，请mm眦mm论一广广icrl广广【o器 鎏习习蚕 一|一呦蹦瞄以粥眦眦啪一 瓣貉坠薷兰乒f乒乒写。 第2 章车轴数模超声检测仪系统的硬件设计 。 图2 6 波形信号发生电路原理图 那么放大或者缩小以后的信号幅值有可能超过a d 转换的量程，所以必须根据信 号的变化相应调整放大器的增益。因此有必要设计一个增益可调的超声波接收与 放大电路，它主要负责对接收到的超声信号进行放大和衰减量的调节，以满足不 同探测工件对探伤灵敏度的要求。为了满足车轴数模超声检测仪的o - - 1 2 0 d b 的 放大要求，先把接收到的信号进行2 0 d b 的固定放大，然后用三片a d 6 0 3 进行可 调放大。第一二级的增益范围为一1 1 - 3 0 d b ，第三级的增益范围为4 0 d b ，采用 m a x 5 0 8 对a d 6 0 3 的增益电压进行控制。本论文中将主要介绍a d 6 0 3 和m