（信号与信息处理专业论文）数字超声波探伤装置的研制.pdf

沈阳航空航天大学硕士学位论文 摘要 近几十年来，伴随着现代电子及计算机技术在检测行业中的广泛应用，超声 波检测技术向着数字化，智能化方向发展。现今为了既能控制成本，又能达到更 好的检测效果，数字式的超声波探伤仪器的设计方案层出不穷。本文正是在这个 背景下，设计了一基于f p g a 和a r m 嵌入式系统的脉冲反射式数字超声波探伤 装置。 该装置的工作原理是：首先，由超声波脉冲激励电路激励探头产生脉冲超声 波，并通过接收电路接收来自工件的反射脉冲回波；而后，采样电路在f p g a 的 控制下通过程控放大器对微弱回波信号进行放大，并进行数模转换；再利用 f p g a 构建数字滤波器对信号进行处理，并可以将信号进行f f t ，以便对信号进 行频谱分析；最后，在f p g a 构建通信单元将数据传送给a r m 模块进行显示和 分析，同时利用触摸屏技术，用户可以通过a r m 嵌入式桌面系统上对整个超声 波探伤装置进行参数设置与控制。 本装置利用了f p g a 高速并行处理、具有丰富的i o 引脚的特点，在f p g a r f l 构建了存储单元、运算与控制单元、时序控制单元、通信单元、外电路控制单 元这5 个单元，实现数据的高速采集、数字滤波、f f t 、以及外电路控制等功能。 并在友善之臂公司的a r m 9 开发系统上设计开发了基于a r m l i n u x q t o p i a 桌面 环境的显示与控制面板，用以波形显示和控制。通过实验装置实验验证，该反射 式超声波数字探伤装置性能稳定可靠，可应用在实际的检测场合。 关键词：超声波探伤；脉冲反射式；f p g a ；a r m 9 ； q t o p i a 沈阳航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，w i t ht h es u p p o r to ft h ea d v a n c eo fe l e c t r o n i c sa n dt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h eu l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g y i s d e v e l o p i n gt o w a r d s m i n i m i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z a t i o na n di n t e g r a t i o ni nt h et e s t i n gi n d u s t r yf i e l d i no r d e r t oo b t a i ne x c e l l e n te f f e c to fd e t e c t i o na n ds y s t e mi n t e g r a t i o n ，m o r ed e s i g n so ft e s t i n g i n s t r u m e n t sa p p e a ri nn o w a d a y s i nt h i sp a p e r , ad i g i t a lu l t r a s o n i ct e s t i n g ( p u l s e - e c h o ) d e v i c eb a s e do nf p g aa n da r m i sd e s i g n e d t h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed i g i t a lu l t r a s o n i ct e s t i n gd e v i c ei sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h eu l t r a s o n i cp u l s es i g n a li sg e n e r a t e db ya nu l t r a s o n i cp r o b et h r o u g ht h eu l t r a s o n i c p u l s ee x c i t i n gc i r c u i t ；s e c o n d l y , t h ee c h os i g n a lo ft h eu l t r a s o n i cp u l s es i g n a lw a s r e c e i v e dt h r o u g ht h eu l t r a s o n i cr e c e i v i n gc i r c u i t ；t h i r d l y , u n d e rt h ec o n t r o lo ft h e f p g ai nt h ed e v i c e ，t h ee c h os i g n a li sa m p l i f i e db yt h ep r o g r a m c o n t r o l l e da m p l i f i e r a n di ss a m p l e db ya d c c o n v e r t i n gc i r c u i t f o u r t h l y , t h ed a t ao ft h ee c h os i g n a li s p r o c e s s e db yd i g i t a lf i l t e ra n df f to nt h ef p g a ，t h ed i g i t a lf i l t e ri sd e s i g n e da sa b a n d p a s sf i l t e r a n dt h ef f ti sa n a l y z e di n f r e q u e n c yd o m a i n ；f i f t h l y , i no r d e rt o t r a n s f e rd a t af o r mt h ef p g at oa r mm o d u l eac o m m u n i c a t i o nu n i ti sb u i l du s i n g s e r i a l - p o r tt e c h n o l o g y ；a tl a s t l y , aa r m e m b e d d e dd e s k t o pi sa c h i e v e dt h r o u g ht h e t o u c hs c r e e nt e c h n o l o g y , w i t hw h i c hu s e rc a ns e tt e s t i n gs y s t e mp a r a m e t e r sa n d h a n d l ee a s i l y t h ef p g ah a sm a n ya d v a n t a g e s ：h i g h - s p e e dp a r a l l e l p r o c e s s i n g ，r i c h i o i n t e r f a c e ，e t c ，i nw h i c hw eb u i l df i v ef u n c t i o n a lu n i t s ：s t o r a g eu n i t ，c o m p u t i n ga n d c o n t r o lu n i t ，t i m i n gc o n t r o lu n i t ，c o m m u n i c a t i o nu n i t ，a n de x t e r n a lc i r c u i tc o n t r o lu n i t i nt h ef p g as o m ea l g o r i t h mi sa d o p tf o rs i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，s u c ha s d i g i t a lf i l t e r i n g ，f f t ，a n de t c a na r m 9d e v e l o p m e n tk i ti ss e l e c t e dt od e s i g nt h e p r o g r a mo fad i s p l a ya n d c o n t r o lp a n e lb a s e do na r m l i n u x q t o p i a t h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h i sd e v i c ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n dt h ed e v i c ec a n b eu s e d i na c t u a lt e s t i n gs i t u a t i o n 沈阳航空航天大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t i n g ；p u l s e - e c h o ；f p g a ；a r m 9 ；q t o p i a 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第1 章绪论 人耳听到的声音来源于物体的振动，能够引起听觉的声振动频率在2 0 h z 到2 0 k h z 之间。当声波频率为1 0 - 4h z 至2 0 h z ，称之为次声波。在2 0 k h z 以上称之为超声波。声 波的本质是弹性介质中的机械振动的传播过程【lj 。 通过声波来检测的物体的方法，由来已久。例如，利用敲击瓷器发出的嗡鸣声，来 判断瓷器材质，检测其是否有裂纹、破损；医生使用听诊器，对患者胸腔或腹腔进行诊 断。人耳听到不同的回音，源于声波的振幅、频率( 相位，人耳分辨不敏感) 的不同， 利用长期实践经验的总结，对检测结果进行分析。然而这种经验性质的总结，已让人们 认识到应用声波来检测的可行性。对于声学的系统研究开始于1 7 世纪伽利略研究单摆 周期和物体振动，牛顿在1 6 8 7 年出版的自然哲学的数学原理中提出关于声波的传 导模型，1 9 世纪中叶瑞利所著的声学原理，系统地总结了前人的研究，建立了比较 完善的声学理论 1 l 。然而局限于当时技术，超声波的研究长期停留在理论层面上，直到 1 9 世纪末2 0 世纪初在物理学上发现了压电效应，反压电效应，才有了利用电子学技术 产生超声波的方法，人们这才开始逐步认识到在力学、热学、电磁学、化学上的超声效 应，并利用这些效应展开了广泛的应用研究，超声波检测就是其中之一。超声检测属于 无损检测范围，它是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏 地检测材料内部和表面的缺陷【2 ( 大小、形状与分布状况等) 。 1 1 超声波检测技术的发展与现状 1 9 1 2 年超声探测最早在航海上用于探测冰山。超声波检测技术用于工业生产开始于 第二次世界大战，1 9 4 0 年美国的f i r e s t o n e 首次介绍了基于脉冲发射法的超声检测仪器， 并在其后的几年进行了测试和完善，1 9 4 6 年英国人首先制成了可收发的a 型脉冲反射 式超声波探伤仪 2 】。从此脉冲反射技术开始走向工业应用场合，直到现在也仍然是应用 最广泛的无损检测手段之一。 探伤仪器的发展同电子科学，计算机科学，工业需求紧密相关。工业发达国家的无 沈阳航空航天大学硕十学位论文 损检测技术已经逐步从n d i ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 和n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 阶段向n d e ( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 阶段过渡，即用无损评价来代替无损探伤和无 损检测 3 4 。因此，对于超声检测仪器的要求也随之越来越高。目前，美国、德国、日本 的超声波检测技术最为先进，建立完备的与工业实际应用配套的标准评价体系，实现了 基于高性能微机、数字图像处理设备、机器人技术、现代数字信号处理技术等，可以适 应各种工业应用环境的高性能，多功能检测仪器。相较而言，我国的无损检测技术与仪 器设备总体上落后于这些国家1 5 2 0 年。伴随着我国经济，工业的迅速发展，传统的检 测技术和仪器将不能满足生产、制造工艺发展的高速度、高精度等方面要求，先进的评 价体系的建立及相配套的检测仪器的研制尤为迫切【2 3 j 。 德国k k 公司于1 9 8 3 年推出了第一台便携式数字化超声波探伤仪，此时我国的便 携式数字化超声波研究也逐步形成，1 9 8 9 年中国科学院武汉物理所武汉科声技术公司研 究成功了国内第一台全数字化的超声波探伤仪( k s i o i o 型) ，并于第二年推向市场，同 时，中国科学院声学所的数字、模拟混合式的超声波探伤仪也相继研制成功。1 9 9 3 年浙 江大学现代制造工程研究所在国内首次开发成功了九自由度智能化超声扫查系统，该系 统具有复杂表面扫查功能和a 扫描、b 扫描、c 扫描显示方式，并可以通过与高档微机 的交互功能，实现对扫查参数、扫查过程的预设值，实现中断续扫、实时分析、局部缩 放等功能。2 0 0 2 年，国内首创开发成功1 0 自由度大型复杂曲面工件超声彩色成像系统。 现今，传统的基于示波管显示技术的模拟仪器逐渐退出历史舞台，其不足是显而易 见的，数据不具备存储功能，结构复杂，信号干扰强，模拟滤波器可靠性，稳定性较差， 尤其是，难以对回波信号进行回放分析，如时域分析，频谱分析等。由于有高速a d ， m c u ，c p l d ，高速存储元件等技术支持，数字式探伤仪器的优势越发明显，其检测速 度快，数据可备份记录，辅以相应的软件支持，可提供以往依赖模拟器件实现的灵敏度， 深度补偿等功能，系统的稳定性得到保证；超声波探伤装置通过对模拟信号高速采集和 量化，所获取的数据经处理后传输给嵌入式系统进行后继的处理和显示，并根据用户的 指令来调整超声波检测装置的工作状态。数字超声波探伤装置简化了复杂的模拟信号处 理电路，本装置中还采用了触摸屏技术，这可以省掉大量的按键及开关的使用，因此操 作和维护更为方便。现今，数字化超声波探伤仪器已逐渐取代了传统的模拟超声波探伤 仪器。超声波探伤仪便携化，智能化为超声波探伤技术发展趋势。随着电子与信息技术 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 的飞速发展，多种成像技术，现代信号处理技术，机器人技术等等与超声波检测技术有 机结合，为超声波探伤领域带来了蓬勃生命力【4 ，5 1 。 1 2 课题的研究内容 本课题的主要任务是构建一个基于f p g a 及a r m 嵌入式系统的数字式超声波探伤 装置，具体内容如下： 1 ) 基于a 型脉冲反射式检测原理，设计超声波发射和接收电路，并将接收电路输出的 电压信号经进行放大，而后进行高速模数转换。 2 ) 利用f p g a 构建控制，存储，运算，通信单元。控制单元的功能包括：超声波的触 发脉冲的设置、发射、延时，a d 使能；识别由a r m 发出的指令控制字，并根据 控制字完成各个模块的设置及工作。存储单元功能包括是对a d 采样的数据缓存存 储运算单元的运算结果。运算单元的功能是进行数字信号处理。通信单元的功能是 把采集的或经处理后的数据传输给a r m 模块以及把从a r m 模块发出的用户指令 传给f p g a 。 3 ) 基于a r m 嵌入式系统的人机对话模块，用户可以通过该模块，设置超声波脉冲激 励信号参数、观察所采集的原始数据波形及处理后的各类波形图；该模块还可以完 成数据统计、比较、存储及波形回放等；f p g a 的控制单元通过该模块解读用户控 制命令字来操作整个设备。这个模块力求人机对话界面简洁，方便。 1 3f p g a 与a r m 嵌入式系统简介 现代电子设计在计算机和微电子技术的快速发展下，实现方式、开发模式也同时随 之改变。电子产品和复杂数字逻辑系统正朝着高集成度、小型化和低功耗的方向发展。 过去j 。l 泛使用的由基本逻辑f - j 币h 触发器构成的中小规模集成电路，现在已经应用较少， 因为这些集成电路只能实现特定的逻辑功能，况且对于复杂逻辑，设计周期长，稳定性 也不高，在功能需要变更时一般难以在原设计上改动，于是在专用的集成电路a s i c ( a 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 ) 的出现，便逐渐的在这类应用中淡出了。 a s i c 分为全定制和半定制。无论全定制与半定制都需要用户介入芯片的布局布线 和工艺问题，涉及面广，技术要求高，开发周期长，虽然其灵活性很高，但显然不适合 沈阳航空航天大学硕士学位论文 一般丌发人员。a s i c 的一个分支可编程a s i c ，它主要是利用可编程的集成电路如 p r o m 、p l d 、f p g a 、c p l d 等可编程电路或逻辑阵列编程来实现a s i c 。主要特点是 可以直接采用软件实现a s i c 电路功能。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 现场可编程门阵列，芯片按一定的排列顺 序集成了大量的门、触发器等基本逻辑元件，用户在专用开发系统中，通过编程连接各 个基本逻辑元件，实现特定的逻辑功能。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 c a ld e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件，其以乘积项结构方式构成逻辑行为。 一般而言f p g a 相较c p l d 含有更多的触发器和存储器，c p l d 有着更多的乘积项 和宏单元，因而c p l d 在算法和组合逻辑上优于f p g a ，f p g a 却在时序逻辑上优于 c p l d 。编程上f p g a 比c p l d 具有更大的灵活性，c p l d 通过修改具有固定内连电路 逻辑功能来编程，f p g a 通过改变内部连线的布线来编程。编程方式来看，c p l d 基于 e e p r o m 或f l a s h 存储器编程，那么在系统断电时编程信息不丢失，f p g a 大部分是 基于s r a m 编程，每次上电，从器件外部将编程数据重新写入到s r a m 中，优点在于 可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。所以f p g a 非常适合做为控制( 逻辑控制) ，信号融合，数字信号处理( 尤其对于非复杂运算且具 有大运算量的d s p 算法，但需要考虑芯片资源与速度的平衡，高速意味要消耗更多的 资源) 6 1 。 然而，对于用户界面这种需要频繁调用复杂的文件系统，在其问写入读取数据的工 作，f p g a 便无能为力了，就需要通过嵌入式系统来完成这些工作。i e e e 对嵌入式系统 定义是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。最早的嵌入式系统雏形 出现在上世纪7 0 年代，基于8 位微处理器芯片只可以完成简单的单线程程序。从那时 起，嵌入式系统的说法几乎就离不开微处理器，谈微处理器就离不开使其工作的软件程 序。嵌入式系统从结构及功能上定义：为了辅助或监控设备运行而嵌入到设备中基于微 处理器的系统模块 常见的嵌入式微处理器有单片机、d s p 、f p g a 加s o p c 等。r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) 与c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 是目前处理器制造的典型技 术。r i s c 采用精简指令集，虽然精简的指令集会让它完成一些不常使用的功能效率较 低，然而却因此使得高级语言编译器可以产生比c i s c 更有效率的代码，而且非常用功 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 能效率可以采用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。目前常见的r i s c 处理器有： d e c a l p h a 、a r c 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、s p a r c 、s u p e r h 等。a r m 公司开发的3 2 位处理器a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 已经广泛的应用在无线通信电子中，其大约 占据了r i s c 微处理器8 5 的市场份额。在工业控制领域，其以低功耗、高性价比占 据了高端市场，在中低端市场也有很大份额。在消费类电子产品上，a r m 在数字音频 播放器、数字机项盒、游戏机中广泛使用。现在流行的数码相机、打印机大部分采用 a r m 技术【7 i 。 从1 9 8 5 年a c o r n 公司开发出世界第一款商用r i s c 处理器，1 9 9 0 年a r m 公司( a c o r n 公司与a p p l e 公司联合成立，v l s i 公司作为投资者参与) 正式成立至今a r m 微处理器 拥有众多的种类主要有以下这些系列，a r m l 、a r m 2 、a r m v 2 a 、a r m 3 、a r m 6 、 a r m 7 t d m i 、a r m 9 t d m i 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、x s c a l e 、a r m l l 、a r m v 6 t 2 、a r m v 6 k z 、 a r m v 6 k 、c o r t e x 。a r m 7 系列主要用于工业控制、网络多媒体，调制解调设备等， a r m 9 t d m i 主要用于无线通信设备，仪器仪表，机顶盒，数码相机，数码摄像机等。 该系列处理器通过增加时钟频率和减少指令执行周期，能够达到2 倍以上的a r m 7 处理 器处理能力【7 8 j 。 嵌入式系统的硬核是微处理器，软核就是嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ) ，它负责全部软、硬件的资源分配和调度。其具有以下特征：系统作为嵌入式 的应用，因此资源有限，也就要求操作系统内核尽可能的小；系统有明确的目的性，为 了尽可能达到最高工作效率，软件、硬件紧密结合完成特定的任务，因此专用性很强； 高实时性；由于操作系统本身不具有开发能力，所以系统开发需要有专门开发工具和环 境( 软件及硬件) 。常见的嵌入式操作系统有l ac o si i 、u c l i n u x 、f r e e r t o s 、r t x 、 a r m - l i n u x 、v x w o r k s 、r t e m s 、p s o s 、n u c l e u s 、p a l m o s ，w i n d o w sc e 、w i n d o w sx p e m b e d d e d 、w i n d o w sv i s t ae m b e d d e d 、e c o s 、q n x 、l y n x ，s y m b i a n ，a n d r o i d ，m e a m o 及m e e g o 等。下面就几个典型的嵌入式操作系统做简短的介绍。 1 ) _ c o si i ，c o si i 是一种公开源代码，结构小，绝大部分代码由c 语言编写， c p u 硬件相关部分为约2 0 0 行的汇编代码，因此dc o si i 能够方便的移植到各种 c p u 中。tc o si i 是一种基于优先级调度的抢占式的实时内核，即高优先级任务 一旦处于就绪状态，则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理资源。dc o si i 沈阳航空航天大学硕士学位论文 中规定所有的任务优先级( 6 4 个) 均不相同，也就是说不同的优先级可以作为任务 本身的标志，简化了系统。常应用于具有高实时性要求的低端应用平台。 2 ) 2c l i n u x ，微控制领域中的l i n u x 系统，主要针对没有存储单元m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 处理器系统设计。2c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而来，支持 几乎所有的l i n u xa p i 函数。拥有很好的稳定性和可移植性，功能强大，是低端应 用平台最好的选择。 3 ) w i n d o w sc e ，w i n d o w sc e 是微软公司开发的开放的可升级的3 2 位嵌入式操作系统。 w i n d o w sc e 操作界面源于精简形式的w i n d o w s9 5 9 8 ，而a p i 层却是基于w i n 3 2 开发，因此在w i n d o w sc e 继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且可以使用w i n d o w s 下的开发工具( v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 开发，开发移植非常方便。w i n d o w sc e 支持x 8 6 、a r m 、s h 4 、m i p s 等处理器。 4 ) 嵌入式l i n u x ，l i n u x 层次结构和内核完全公开，用户及爱好者众多因此有着强大技 术支持。l i n u x 内核小、效率高，其源代码是在通用公共许可证( g e n r a lp u b l i xl i c e n s e ， g p l ) 条件下由数百个贡献者共同编写，g p l 允许任何人以任何方式免费分发完整 源码，复制，销售。l i n u x 内核的结构在网络方面非常完整，它提供了包括十兆位， 百兆位及千兆位的以太网络，无线网络，t o k e nr i n g ，光纤乃至卫星支持。另外面对 功能繁多的嵌入式硬件平台，l i n u x 适应具有广泛的适应性( 目前其可以支持几十 种c p u ) 稳定、容易裁减、开发及使用方便。其占全球嵌入式操作系统的市场份额 4 0 以上，主要应用领域有信息家电、p d a 、机顶盒、数字电话、数据网络、交通 运输计算机外设、医疗电子、工业控制等等【7 8 1 。 图1 1 嵌入式系统组成 沈阳航空航天大学硕士学位论文 介于嵌入式l i n u x 系统运行效率高且通用性好，核心内核小便于裁减和修改，内核 的代码开源且版权免费。嵌入式l i n u x 还拥有丰富的应用软件支持( 许多支持软件也是 开源的) ，因此综合以上优势，本装置的a r m 模块的搭载系统所选用的是嵌入式l i n u x 。 嵌入式系统组成框图如图1 1 所示。 其中应用层，直接面向用户的应用程序层。应用程序接口，这是由一些定义好的接 口程序函数组成，方便于应用程序层的开发而制作的例程组。操作系统核包括了基本的 实时系统核，文件系统，g u i 以及扩展的通用组建模块，如t c p i p 网络组件、数据库 等。设备驱动层，该层为上层软件提供了设备的操作接口。 1 4 课题研究的意义 市面上的数字超声波探伤仪器结构通常是采用数据采集卡加单片微处理器配以 l c m ( l c d 显示模组) 搭建而成。本文中采用f p g a 芯片作装置的控制及运算的核心， 采用a r m 微处理器来完成人机对话和显示工作。使用f p g a 可以使设计更为简洁，运 算和控制可以在一枚芯片中完成，而以单片微处理器上实现上述功能时，有时不得不额 外添加器件。f p g a 内部含有丰富的触发器和i o 引脚，采用c h m o s 工艺，功耗低， 可与c m o s 、t t l 电平兼容，因而以软件方式来实现所需要的功能模块，可以减少开发 周期，并且更稳定。嵌入式l i n u x 系统的综合应用平台包含完整的应用层、窗口操作系 统、灵活的用户界面、应用程序启动程序和开发框架，利用该平台可以设计出简洁、美 观的人机对话窗口界面。而以往基于p c 机的虚拟仪器检测平台的开发成果可以应用到 该设计中。此外，随着对检测性能要求的提高，势必对超声波数字处理方式的要求也将 更高，除了对处理器有运算速度上的要求外，对于功能复杂的操作界面还要求反应迅速， 就要求处理平台具有多进程以及进程中多线程执行能力。在这方面a r m 9 系列处理器是 目前先进的数字化仪器仪表中应用最为广泛的微处理器之一。综上所述，本文的设计同 以往普遍采用的设计进行了比较，诸如数字化、智能化、自动化等要求都可以基于本设 计进行深化和扩展，可使其在系统升级、再开发以及成本上的具备更多的潜力。 7 沈航空航天人学硕十学位论文 第2 章探伤装置结构的总体设计 根折：超声波检测方式的彳i 司，可以有以下方法：穿透法：检测穿透波能量；共 振法：在试f f ：q 一，检测频率可变的连续波所形成驻波特征；反射法：检测反射波能量及 传播时i 白j 。上述三种方法中，穿透法缺陷的可探出性受到缺陷面积与性质、超声波束的 面积与取向、及缺陷与探头之i 、日j 的距离等因素影响，此外，试件的儿何形状的微小变形 还将引起接收信号的幅值变化，为此工作时需要调整试件两侧探头的位置，操作繁琐， 因此该方式使用范围一广。共振法一般用于试件测厚，该方式的探伤装置山于其l u 路复 杂，目自，j _ 已很少使刚。脉冲反射法山于其f 乜路结构简单，检洲原理明确，适用范围广。 本文设计主要部分是基于f p g a 的信号处理；f n c , b 围电路的控制，以及基于a r m 的显示 控制界血设计。f p g a 模块中的数字信号处理单元和控制单元是装置设计中的重点，用 束实现信号的高速采集、数字滤波，并实现复杂时序和控制逻辑。a r m 模块主要功能 是实现人机对话界血、波形显示及存储等。 2 1 装置总体方案设计 图2 1 硬件组成结构框图 本探伤装置根掘超声波脉冲反射法进行设计。硬件结构框图如图2 1 所示，装置的 ：l 作流程为：1 ) f p g a 模块接收到来自a r m 模块的检测指令后，向脉冲激励电路发出 触发信号。2 ) 激励电路产生高压脉冲信号，该信号激励超声波探头发出超声波脉冲。 超声波脉冲在试件中传播，当柏i 试件中遇到缺陷或至底部时反射形成回波。3 ) 凹波信 号经换能器转换，转换为电压信号，以反映所接收到的凹波强弱( 声压) 。4 ) 乜压信号 沈阳航空航天大学硕士学位论文 经模拟电路处理，再送给a d 量化为数字信号。5 ) 在f p g a 进一步运算与处理。6 ) 在 a r m 嵌入式系统当中存储并显示。 2 2 脉冲反射式检测原理 超声波技术之所以可以广泛应用到无损检测中，主要囚为超声波具有以下特性：超 声波探伤中使用的声波波长一般都是毫米级，而声源的尺寸一般大于波长的数倍以上， 因此波束有束射性( 指向性) ，频率越高方向性越好，便能够以狭窄的波束在介质传播， 所以可以有效地对缺陷进行定位；超声波在介质中传播时，遇到不同的介质面将产生反 射，由于气体、液体、固体介质弹性差异很大，超声波在传播过程中，在异质界面上除 了产生反射、折射还会发生波型转换；超声波的传播能量大，声强与频率平方成正比， 所以超声波能量很容易满足探伤所需的声波功率要求；超声波在大多数介质中都能传 播，其散射程度取决于试件晶粒度的大小与波长之比，当晶粒度比波长小很多时，几乎 没有散射现象。在固体中，由于超声波能量在传输中损失很小，故探测深度大2 1 。 对于金属部件的探伤，所采用的超声频率一般为o 5 1 0 m h z ，其中2 5 m h z 最为常 用。随着频率的升高，散射造成的衰减也将增大，所以检测晶粒较粗大的工件时需选用 低频和提高发射功率的办法，以增加其穿透力。探测晶粒结构较致密的工件时，应适当 提高频率，以减少探测盲区并提高分辨力。 超声波主要特征参数： c 声速； 厂频率，厂= c 2 ； t 周期，t = 1 i f ； 兄波长； p 声压，为周期性交变的声压强最大值； j 声强，单位时间内，通过垂直于声波传播方向上单位面积的声波能量； z 一一声阻抗，也叫作特性阻抗，为在自由平面行波中一点的有效 声压与该点有效速度之比； 声压的变化通过换能器转换为变化的电压信号，两者之问为线性关系，通过观察电 压的变化可以得知声压的变化，得到超声波传播路径( 信道) 的信息，以此来作为缺陷 9 沈航空航大人学硕+ 学位论文 金水拶 图2 2c s i 标准试块 表2 1c s i 型试块尺寸 试块序号 c s i 1c s i 2c s i - 3c s i 4 三5 0 m ml o o n u n 15 0 1 1 1 1 1 3 2 0 0 n u n d5 0 m m6 0 i m n8 0 m m8 0 m m 采刚单晶直探头检测工件，即用一个探头同时兼作发射和接收超声波。它可以检测 出一定深度( 4 5m m ) 的缺陷，对回波分析时只需要考虑纵波或纵波与横波共同的影 【1 句，探伤示意图如图2 3 所示。 发射波缺陷网波 图2 3 探伤原理 基j ：反射法的检测方式对于与波束轴线垂直的片状缺陷和立体型缺陷检测效果好， 但当片状缺陷与波束轴线倾斜倾斜角度较4 1 t 寸，反射波有可能接收不到，因此该类型的 缺陷可能会检测不出【1 0 】。 在传播过程中超声波遇到异质会发生反射、折射及波型转换。当纵波从一种介质进 入到到另一种介质中时，在两介质的交界面会产生反射纵波，山丁波型转换的原因，入 射纵波也将产生反射横波。同样的，入射横波也将产生反射纵波，图2 4 、图2 5 分别为 沈阳航空航天大学硕士学位论文 判断的依据。p = p c v s i n ( c o t ) ，p 为传播介质的密度、矿为质点振动振幅最大值。声强 i = o 5 木心矿2 ，单位为形：；平面波的总功率表达为p s ，s 为声波通过的截面面积； 。 ，c m 特性阻抗z = 筇。根据超声波波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向的差异， 在固体中除了纵波外，还存在横波、表面波、板波等。在固体介质中超声波纵波的声速 表达为： 在无限大固体中：q = 石百 在细耕( 直径d o zo叱叱叱叱叱 网网网网网网园冈网困圈冈 ) 0 ( l s b ) 回口 珂口 口 口 2 z ld 1 3 ( m 5 a - g d 1 2 0 2 叼咕口口口口口口口口口口一p 0 1 1 图3 9a d 9 2 4 4 引脚定义 a d 9 2 4 4 的引脚图如图3 9 所示。信号可以采用差分或是单端输入方式，由于差分 输入可以抑制共模信号，可以起到抑制信号的接入噪声的作用，因此差分方式可以提高 信号的精度。所经放大电路放大的信号通过1 ：1 的电压转差分电路输出后，分别接入差 分输入引脚v i n + 与v i n 。差分时钟c l k + 与c l k 由f p g a 给出。o e b 为转换允许引 脚，其使能直接由f p g a 来控制。通过s e n s e 、v r e f 、r e f g n d 这三个引脚设置1 v 2 v 参考电压。d b 0 d b l 3 为并行数据输出引脚，d f s 引脚作用是控制数据输出是补码还是 2 1 距 d d d d d 一 f 2 啪 汕 恤 讯 s d d d 0 园园圆圈回团团团圆口口口口口口口口 口口口口 4 口 牲 口 明 口 a 口口口 f口口口口口口口口 叩 卅 * 惦 帕 一 姒 咖 列1 1 0 苫 捣一凸oja 挖o z o o 纠一西。加一o伯i o侣一o o仃i 凸侣i o 侣一oo叱口 一o z o q 侣i 凸 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 进制码方式，o t r 引脚为溢出标志，即表明信号输入是否超过了a d 的转换量程。本 文中采用1 5 v 的参考电压，即输入信号的电压峰峰值为1 5 v ，此时r e f g n d 、v r e f 、 s e n s e 三个引脚连接方式如图3 1 0 所示。数据位d b 6 d b l 3 输出引脚通过2 2 q 的电阻 连接到f p g a ，作为8 位精度的数字信号输入。 图3 1 0a d 9 2 4 4 产生1 5v 内部参考电压接法 a d 9 2 4 4 常温下具有7 5 0 m h z 的模拟输入带宽，所以我们所关心的信号不会因为模 数芯片转换而失真。高速( 高频) 芯片有较高的环境要求，v d d 与v c c 、a g n d 、v g n d 均要使用电容网络去耦，同时最好避免同其他高频信号线距离过近、此外p c b 布线时 要考虑a d 9 2 4 4 的静电防护，它的外围元件尽可能排列紧凑，布线应避免其附近出现宽 度小于2 5 m m 的环形地 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 。 沈刚航空航大人学硕 ：学位论文 第4 章信号运算控制模块设计 该模块利用f p g a 进行设计，其包含以下5 个单元：通信单元、存储单元、数字运 算讧元、时序控制单元、外f 乜路控制单元。 存储单元，该单元缓存a d 的数掘流，存储运算单元的数据。 运算单元，包括信号的滤波和f f ? ，r 这两部分。 时序控制单7 亡，该单元根据命令字控制其它单元。 通信单元，该单元与a r m 模块通信，获取用户的控制命令字并传输数据。 外f 乜路控制单元，根据时序控制单元发出的控制指令，超卢波激励的触发信号，信 号的放大增益，控制a d 工作状态。 4 1 芯片简介 f p g a ：枣片选用的是x i l i n x 公i 习的s p a r t a n 3 e 系列的x c 3 s 5 0 0 e 4 f g 3 2 0 芯片。 f p g a 在时序控制上优势是m c u 无法比拟的。高速的信号采集、运算、存储、通 话对时序都有很高要求，f p g a 是处理复杂时序和逻辑的最合适的选择。木装置中使用 的s p a a a n 3 e 系列的x c s 5 0 0 e 4 f g 3 2 0 c ：卷片的基本结构如图4 1 所示。 r a m 币i乘法模块 图4 1x c s 5 0 0 e - 4 f g 3 2 0 c 芯片结构 主要【i 可编程逻辑币元c l b 、可编程输入输出单元i o b 、数字时钟管理模块d c m ( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ) 、乘法器、存储器r a m 和可编程连线通道组成。c l b 由四个 能够实现基本组合逻辑和时序逻辑的基本逻j i | 单元( s l i c e ) 组成。每个s l i c e 包含两个 沈阳航空航天大学硕士学位论文 查找表l u t 结构和两个触发器。两个查找表l u t 结构可以实现1 6 1b i t 存储器、1 6b i t 移位寄存器( s r l l 6 ) 、带进位的算术组合逻辑功能。i o b 单元提供了f p g a 的内部信 号与f p g a 芯片管脚之问的可编程双向接口。通过编程可以使输入输出管脚分别定义成 输入信号、输出信号、寄存器输入信号、寄存器输出信号、三态信号，也可以定义成固 定的低电平和高电平。该芯片规模为5 0 万门，共3 2 0 个管脚，其中用户自定义管脚2 3 2 个。该芯片还集成有两个x i l i n x 公司的可编程芯片，c o o l r u n n e r - i i 系列的c p l d 芯片 x c 2 c 6 4 a 5 v q 4 4 c ，该芯片共有6 4 个宏单元，每个单元由乘积项和触发器组成，可以 实现组合逻辑和时序逻辑功能；另一个是x i l i n x 公司的串行接口处理器 x c f 0 4 s v 0 2 0 c ，可用于保存f p g a 芯片的配置信息i 1 川。 图4 2f p g a 开发流程图 2 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 x i l i n x 公司为其芯片提供的开发系统i s e ( i n t e g r a t e ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ) ，应 用该系统可以完成x i l i n x 公司c p l d f p g a 主流产品的设计输入、编译、功能仿真、 时序仿真、优化及下载设计文件到芯片中。开发流程如图4 2 所示。 对于具有多个复杂单元结构的设计，可以逐个单元的进行仿真和下载验证，最后使 用顶层文件将各个单元拼合，再进行仿真验证 1 7 】。 4 2 数据存储单元 存储单元作为缓存部分，容量根据a d 的采样时间，采样间隔而定。如第2 章所述， 当脉冲次数为n ，采样频率5 0 m h z ，周期4 0 s ，则有a d 单元数据流共n 2 0 0 0 8 b i t 数据。作为运算数据的存储部分的大小，以f f t 算法的运算结果所需要的存储空间而定。 4 2 1缓存部分 a d 9 2 4 4 是根据输入时钟对模拟信号进行采样的，本设计中所采用的时钟为5 0 m h z ( 由f p g a 提供) ，当a d 开始工作，在每个时钟上升沿出现之后的1 5u s ，这个时刻 的输入信号，被量化为1 4 位b i t 的并行数字信号输出，每个时刻的输出值为该时刻之前 第8 个模拟量的量化值，即d k 】= q ( n n 一8 d ，超声波脉冲周期为4 0 s ，也就是一次 脉冲触发后a d 的采样时问长度。这里的a d 时钟与f p g a 的时钟是同步的，为了适 应不同场合，缓存部分使用异步传输时的结构异步f i f o 结构。 为了适应设计中的具体情况，本单元设计采用的异步f i f o 结构，在标准结构上添 加或删减了一些控制信号。该单元的引脚定义和结构分别如图4 3 、4 4 所示。 图4 3 存储单元引脚定义图4 4 存储单元逻辑电路 如图4 4