（通信与信息系统专业论文）基于pci总线的虚拟超声波探伤仪的实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 f 超声波探伤是应用广泛的无损检测方法之一，虚拟超声波探伤仪是虚拟仪器概 念在超声波探伤领域的应用，不仅实现了传统的模拟超声波探伤仪的所有功能，而 且对传统探伤仪的原有功能进行了扩展，使其具有一定智能处理能力，是超声波探 伤技术的个重要发展方向一 本虚拟探伤仪在国内已研制成功的双通道虚拟超声遮探伤仪的基础上，进一步 研制基于p c i 接口的四通道虚拟超声波探伤仪，实现双通道向四通道的升级及探伤 功能的进一步扩展。本文首先简要介绍了一些有关超声波探伤和虚拟仪器的基本概 念，随后对仪器的硬件和软件的实现方案作了论述，重点阐述了使用p c i 2 0 4 0 桥芯 片实现p c i 总线与d s p 主机接口间的无缝连接。最后介绍了在w i n 9 x 环境下虚拟设 备驱动程序的设计实现。 关键词：虚拟仪器? p c i 总线yd s p 主机接口? v x d 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 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 nisw i d e l yu s e di nn o n d e s t r u e t i v et e s t i n g a p p l i c a t i o n s v i r t u a l u l t r a s o n i cd e t e c t o r ( v u o ) i st h er e s u l to f t h e c o m b i n a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n i q u e a n du l t r a s o n i cd e t e c t i n g t e c h n i q u e v u di s s m a r t e r ，c h e a p e r t h a nt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa n d r e p r e s e n t st h ed i r e c t i o no fu 1 t r a s o n i cf l a wd e t e e t i n g t h i s p a p e rp u t f o r w a r dap r o j e c td e v e l o p e do nt h eb a s eo fs e c o n d g e n e r a t i o nv u d i nt h i sp r o j e c t ，t h ef l a w d e t e c t i n gc a r di sd e s i g n e db a s e d o np c ib u sw h i i ev u di so l li s ab u s t h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e st h ep c i 2 0 4 0p c i d s pb r i d g ec o n t r o l l e r a n di t si m p l e m e n t a t i o no fi n t e r f a c et oh p ip o r to fc 5 4 0 2 p r o g r a m m i n gw i n 9 x v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ( v x d ) a n dt h er e a l i z a t i o no fw i n 9 xp l u g & p l a yf u n c t i o n a r ed i s c u s s e da l s o k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ，p c i ，d s pi i p i ，v x d 南京航空航大大学硕士学位论文 第一章绪论 超声波探伤是一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。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。 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。传统的模拟式超声波探伤仪诞生得较早， 以模拟技术来处理探伤信号，自动化程度低，系统结构复杂。我国9 0 年代之前的 超声波探伤仪全部都是模拟式的。模拟式探伤仪存在一些难以克服的缺点：对探伤 员技术要求高、难于操作、探伤精度不足、可靠性不够、功能有限等。在此之后发 展起来的数字式超声波探伤仪较好地解决了这些问题。数字式超声波探伤仪通过将 模拟探伤信号转化为数字信号，利用数字技术来处理探伤信号，大大提高了仪器的 探测速度、精度及可靠性。1 9 9 2 年国内开发出了第一台数字式超声波探伤仪，目前 已经发展到了第二代，其中的d u t 一9 2 、c u f d 一9 5 、d u t 一9 7 、s o n i c 一1 0 0 0 等仪器已经是比较成熟的产品，逐渐取代传统的模拟式探伤仪成为超声波探伤领域 的主导产品。 数字式探伤仪的诞生不仅推动了超声波探伤技术的发展，也为虚拟探伤仪的诞 生奠定了基础。2 0 世纪8 0 年代中后期，国外提出了“虚拟仪器”、“虚拟系统”的 概念，此后随着计算机技术的高度发展，得到了越来越广泛的应用。美国国家仪器 公司( 简称n i ) 在这方面做了许多卓有成效的努力。 虚拟超声波探伤仪正是虚拟仪器概念在超声波探伤领域的应用。虚拟探伤仪具 有数字式探伤仪的一切优点，同时由于其充分利用了计算机的软硬件资源，因而能 够对数据进行一些传统仪器难以实现的功能，如对探伤数据的智能化分析处理、探 伤过程的软件控制等。在国外，已经研制出虚拟超声波探伤仪并投入实际应用中。 国内第一台虚拟超声波探伤仪d u t 9 5 8 6 也于1 9 9 9 年开发出来并投入市场使用。该 仪器不仅实现了数字式超声波探伤仪的所有功能，而且解决了数字式探伤技术中 的一些难题，如对波形的实时存取、缺陷的定量分析等，同时可利用计算机对探伤 结果进行再处理，以提供更多更可靠的探伤信息。 随着市场需求的变化，本课题在双通道虚拟超声波探伤仪基础上进一步研制四 通道虚拟探伤仪。在硬件结构上将原总线接口设计由i s a 总线改为p c i 总线，并在 探伤卡中增加了实时数据处理部分；在软件上针对硬件设计中的变化作了相应的修 改，扩充了些新的功能，并重新设计了w i n 9 x 操作系统下的驱动程序。 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 第二章虚拟超声波探伤仪概述 虚拟超声波探伤仪是超声波探伤技术和计算机技术相结合的产物。在超声波探 伤系统中，主要运用了超声波在介质中的一些传播原理，因此本章首先简要介绍一 下有关超声波的基本原理，并对虚拟仪器的概念作简要介绍。 2 1 超声波概述 2 1 1 超声波的基本概念 振动和波动是物质运动的基本形式之一，物体沿着直线或曲线在某一平衡位置 附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振动物体在任意时刻的位移情况可以由 它的振动方程描述：y = a c o s ( w t + 们。振动的传播过程，称为波动。产生机械波必 须要有两个条件： 1 要有作机械振动的波源。 2 要有能传播机械波的弹性介质。 次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，它们的区别主要是频 率上的不同。人们把频率在2 0 2 0 ，0 0 0h z 之间能引起听觉的机械波称为声波， 频率低于2 0 h z 的机械波称为次声波，频率高于2 0 ，0 0 0h z 的机械波则称为超声波。 次声波和超声波人耳都听不到。 超声波探伤所用的超声波频率一般在0 5 1 0l v i h z 之间，对钢等一些金属材 料的检验常用的声波频率在1 5m h z 。超声波的波长很短，由此决定了超声波具有 一些重要特性，使其能够广泛应用于无损探伤： 1 超声波的方向性好 超声波的频率很高，波长很短。在无损探伤中使用的超声波波长为毫米数量级。 超声波可以像光束一样具有良好的方向性，可以定向发射。 2 超声波能量高 超声波探伤时的频率远高于声波，而能量( 声强) 是与频率的平方成正比。因 此，超声波的能量远大于声波的能量。 3 超声波能在界面上产生反射、折射和波型转换 在超声波探伤中，特别是超声波脉冲反射法探伤中，利用了超声波具有几何声 学的一些特点，如在介质中直线传播，遇到界面会产生反射、折射和波型转换等。 4 超声波穿透能力强 南京航空航天大学硕士学位论文 超声波在大多数介质中传播时，传播能量损失小，传播距离大，穿透能力强 在一些金属材料中其穿透能力可达数米。这是其它的探伤手段所无法比拟的。 2 1 l2 超声波的分类 一、根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向，可以把超声波分为纵波、 横波、表面波和板波等。 1 纵波 介质中质点的振动方向与传播方向相同的波，称为纵波。当介质质点受到往复 压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。此时介质质点疏密 相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。 2 横波 介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波称为横波，用s 或，r 表示。 当介质受到交变的剪切力作用时，产生切变形变，从而形成横波。只有固体介质才 能承受剪切应力，液体和气体都不能承受剪应力。因此横波只能在固体介质中传播， 而不能在液体和气体介质中传播。 3 表面波 当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面波， 常用r 表示。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直 于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以看作为纵向振动与横向 振动的合成，即纵波与横波的合成。因此表面波只能在固体介质中传播，而不能在 液体和气体介质中传播。 表面波只能在固体表面传播，而且表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱， 当传播深度超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小。因此，一般认为表面波探伤 只能发现距离工件表面两倍波长深度内的缺陷。 二、根据振动的持续时间 根据振动的持续时间长短又可以把超声波分为连续波和脉冲波。 1 波源持续不断地振动所辐射的波称为连续波。 2 波源振动持续时间短( 通常是毫微秒数量级) ，间歇辐射的波称为脉冲波。 目前在超声探伤中得到广泛应用的是脉冲波。 三、根据波的形状分类 波的形状( 波形) 是根据波阵面的形状来区分的。根据波阵面的不同，可 以把不同波源发出的波分为平面波、柱面波和球面波，这里就不作详细介绍了。 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 2 1 3 超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关。对一定的介 质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数，不同的介质，有不同的声速。超声 波波型不同时，介质弹性变形型式不同，声速也不一样。因此，超声波在介质中传 播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。 一、固体介质中的声速 固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但它们的声速是不 同的。此外，介质的尺寸大小对声速也有一定的影响，无限大介质中与细长棒中的 声速是不一样的。在实际的超声探伤操作中，声速作为一个参数在正式探伤之前往 往要事先进行测量。 无限大固体介质是相对于波长而言的，当介质的尺寸远大于波长时，就可以视 为无限大介质。 在无限大的固体介质中，纵波的声速为： 吼= 捂胨 ( 2 1 式) 在无限大的固体介质中，横波的声速为： c s = 仔居j 赤 眩z 式， 在无限大的固体介质中，表面波的声速为： cr：087+i120，拦 ( 2 3 式) 2 f 恬 “a 在上面的三个公式中，e 表示介质的杨氏弹性模量，g 表示介质的切变弹性模 量，p 表示介质的泊松比。 对比上面2 1 式、2 2 式以及2 3 式，可以得出下面的一些结论： 固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等性质有关，不同的介质，声速不 同，介质的弹性模量越大，密度越小，则声速越大。 声速与波的类型有关，在同一个固体介质中，有c 。，c 。，c 。 二、液体和气体介质中的纵波声速 由于液体、气体中只能承受压应力，不能承受剪切应力，因此液体和气体介质 中只能传播纵波。液体和气体介质中的纵波波速为：q = 砉，其中的b 是液体、 4 南京航空航天大学硕士学位论文 气体介质的容变弹性模量，口是介质的密度。 2 1 4 超声波的叠加、干涉和绕射 一、波的叠加原理 当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波所引起的分 振动的合成，任一时刻是该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。 相遇后的各列波仍然保持它们原有的特性( 频率、波长、振幅、振动方向等) 不变，并按照自己原来的传播方向继续前进，如同在各自的传播过程中没有遇到其 它波一样。这就是波的叠加原理，它描述了波的独立性及质点在几个波同时作用时 的振动叠加性。 二、波的干涉 波的干涉是波动的重要特征。当两列频率相同、相位相同或相位差恒定的波相 遇时，由于波叠加的结果，会使某些地方的振动始终互相加强，而另一些地方的振 动始终互相减弱或完全抵消，这种现象称之为波的干涉现象。产生干涉现象的波称 为相干波，产生干涉现象的波源称为相干波源。干涉现象的产生是相干波传播到空 间各点时，波程不同所导致的。 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而形成的波， 称为驻波。驻波是波的干涉现象的特例，当介质厚度由等于半波长的整数倍时，即 】 h = 竹鲁时，会产生驻波。驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅为零的点称为波节。 z 在超声波探头的设计中，通常压电晶片的厚度 = 鲁，形成驻波，产生共振， z 合振幅达到最大，这时探头辐射超声波的效率最高。 三、波的绕射 波在传播过程中遇到障碍物时能绕过障碍物的边缘继续前进的现象，称为波 的绕射或衍射。超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射，另一方面产 生绕射。绕射取决于障碍物的尺寸d ，和波长a 的相对大小。 当d ，一a 时，几乎只有绕射，无反射，此时无反射回波； 当d ，挣a 时，几乎只有反射，这时反射回波很强： 当d 与，l 相当时，即有反射也有绕射。由于有波的绕射使反射回波减弱。一 般认为超声波探伤能探测到的最小缺陷尺寸为吾，绕射是一个重要的原因。 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 2 2 超声波探伤的设备组成 超声波探伤仪、探头和试块是超声波探伤系统的重要组成设备，下面简要介绍 一下这些设备的原理以及构造。 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： 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周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。现在大多己被脉冲探伤仪所 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。如图2 1 一a 所示。 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。如 图2 1 一b 所示。 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灰度表 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 件内部缺蹈的平面图像，但是不能显示缺陷的深度。如图2 1 一c 所示。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 缺陷示意 2 | - a a 型显示 2 1 - b b 型显示 2 1 - e c 型显示 图2 1 缺陷显示方式 三、按超声波探伤仪的通道分类 1 单通道探伤仪：由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用广 泛的仪器。 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 探头的种类和结构 探头是实现电信号与声信号相互转换的器件，是超声波探伤仪的重要组成部 分。目前所用到的探头，绝大多数是利用压电效应原理制作的。探头中的核心元件 是压电晶片，它的作用是发射和接收脉冲超声波。压电晶片是探头的关键元件，其 性能好坏直接关系到探头的质量，因而各种探头的压电晶片都是经过精心制作而成 的。 超声波探伤中，由于被探工件的形状和材质、探伤的目的、探伤的条件不同， 因而使用各种不同形式的探头。在超声波探伤中常用的探头包括直探头、斜探头、 表面波探头、双晶探头等。 波束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。直探头用来发射和接收纵 波，一般用于手工操作接触法探伤。直探头既适宜于单探头反射法，也适宜于双探 头穿透法。使波束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头，依入射角度的不同， 可以在工件中产生纵波、横波和表面波，也可以在薄板中产生板波。通常的斜探头 指横波斜探头，它的标称方式常用横波在钢中的折射角的正切值( 也称为k 值) 来 标称。 超声波探伤仪的探测能力在很大程度上取决于探头超声频率的选取，超声频率 7 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 高时波长短、声束窄、能量集中，因而发现小缺陷的能力强，缺陷定位准确，但是 扫鸯空间小，在材料中衰减大，穿透能力差。频率低时波长长、声束宽、能量不集 中，因而发现小缺陷的能力差，但是扫查空间大，在材料中衰减小，穿透能力好。 超声波探伤中，超声波的发射和接收都是通过探头实现的。探头的类型很多， 性能各不相同，需要根据检验的对象合理的选择探头。比如在探测锻件时，一般选 用直探头在锻压面上探测；而在检查焊缝时，因为存在焊缝加强面以及危险缺陷大 多垂直于或大致垂直于探测面，一般选用斜探头探伤。 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，或者由某个国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，它们都是用来调节、校验仪器的。试块上这些已知的特征可以 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 有时仅仅需要探测菜一部位有无缺陷。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 虚拟仪器概述 虚拟仪器本质上是一个开放式的结构，用通用计算机、数字信号处理器或者其 它c p u 来提供信息处理、存储、显示的功能，用各种总线接口来提供信号的获取与 控制。在虚拟仪器系统中，硬件是为了解决信号的输入输出，软件是整个系统的关 键。可以用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计 堕塞堕皇堕墨奎兰堡主堂堡婆苎 算机直接参与信号的特征参量的解析，使仪器中的一些硬件“消失”，而由计算机 的软件来完成它们的功能。 现代科学技术的发展特别是计算机技术的发展促使探伤技术发生了极大地变 化，超声波探伤正逐步从传统独立仪器模式转变为充分利用计算机软硬件资源的虚 拟仪器探伤系统。本文后面章节将对本虚拟探伤系统做一步的阐述。 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 第三章虚拟超声波探伤仪总体结构 本课题研制的四通道虚拟超声波探伤仪由一台高性能计算机、专用超声波探伤 插卡( 带有标准接口) 以及相应的软件组成。探伤接口卡实现测量采样、初级数据 处理以及数据传送。主机负责系统的工作协调，向探伤接口卡传送控制参数，对从 接口卡传送过来的数据进行分析处理，并对输出结果进行显示或打印。下面就分别 对总线接口、探伤接口卡和软件设计部分作一概述。 3 1 总线接口设计 接口与总线系统是组建虚拟仪器系统的关键设计之一，在高速数据采集处理系 统中，数据的传输与存储常常是系统的瓶颈。在原先的虚拟探伤仪系统中，探伤专 用卡的主要功能就是完成超声波探伤数据的采集与传输，对探伤波形数据的处理基 本上由主机软件来完成。 较早实现的虚拟超声波探伤仪因为通道数少( 双通道) ，数据传输速率不高而 采用了1 6 位的i s a 总线接口来实现和主机之间的数据交换。 本虚拟超声波探伤仪不仅要实现四个通道的探伤，而且要对探伤缺陷数据做出 实时报警，这就要求数据的重复采样频率至少达到1 i ( h z 通道，数据吞吐率要求大。 i s a 总线作为一种异步总线只能提供2 m b s ( 1 6 位数据宽度) 的数据传输速度，不 能满足系统数据传输速率要求，而且在一些较新的微机中已经不再提供i s a 插槽， 因此需要重新设计原探伤专用卡的总线接口。根据本系统的实际需要，可以设计出 基于不同总线的虚拟探伤仪。 p c i 总线( 外设互联总线) 与传统的总线标准一i s a 总线( 工业标准结构总线) 相比具有更高的总线传输率( 1 3 2 船s ) 、支持3 2 位处理器、支持即插即用等优势。 这使之取代i s a 总线而成为目前台式计算机的事实i o 总线标准。对于基于微机的 超声波探伤仪，p c i 总线为满足在插卡和主机系统之间高速传输数据的要求提供了 很好的途径。它不仅解决了数据传输瓶颈，而且具有很好的兼容性，配合驱动程序 可以方便地运行于各种不同的平台。p c i 总线接口控制器可以采用可编程器件自行 设计，这种方式具有很大的灵活性但由于p c i 总线协议的复杂性，难以保证可靠 性。因此，一般在开发p c i 接口卡的时候都使用现成的p c i 接口芯片，这样可以极 大地缩短产品开发周期，并且保证了产品的稳定性。 p x i 总线是c o m p a c tp c i 总线在仪器领域的扩展，是n 11 9 9 7 年公开发布的一 种开放式工业规范，其最主要的电气规范由p c i 总线发展而来，同时对电源、空气 冷却装置、抗电磁干扰和恶劣环境的结构等做了规范，并在底板上定义了多种仪器 南京航空航天大学硕士学位论文 专用线，目前尚未成为国际标准。 v x i 总线被称为先进仪器总线，是v m e 总线的仪器扩展总线。1 9 9 3 年被批准为 i e e e l l 5 5 标准，成为开放式工业标准，具有高速通信和易于组合的优点。但价格昂 贵，主要应用在尖端领域。 采用标准总线接口可以大大简化超声波探伤系统的设计与实现，使探伤系统在 结构上通用化，增强系统的可扩展性。随着计算机技术的不断发展，采用计算机通 用总线构成的系统越来越多。与其它总线接口设计相比，p c i 总线接口在性能、灵 活性、易用性和低价格方面具有较大的优势，在工业、教育、科研领域有着十分广 泛的应用，因此在实际系统设计时选用了美国t i 公司的p c i 2 0 4 0 接口芯片来实现 p c i 总线。 3 2 探伤接口卡设计 超声波探伤仪的接口卡上主要硬件功能模块包括模拟信号调理，数据压缩电 路，d s p 数据处理单元。其基本结构如图3 1 所示： 图3 1 虚拟超声波探伤仪硬件框图 新的设计要求能对各个通道的探伤缺陷数据做到实时报警，因此采样重复频率 高，数据运算单元的运算密度大。如果由主机来完成运算，不仅会影响到中断的处 理速度，而且难以做到实时性。在探伤卡上加入数字信号处理单元来实现实时报警 功能是较理想的解决方法。本系统选用了德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以 下简称c 5 4 0 2 ) 作为核心处理器，这是t i 公司的一款性能优异的芯片，片内资源丰 富，主频可以达到1 0 0 删z ，硬件结构对于数字信号处理特别适用，目前在嵌入式领 域、无线设备、数字运算等领域得到了广泛的应用。 与双通道虚拟探伤仪相比，本系统在硬件电路设计上对模拟信号调理及数据压 缩电路的改动不大。因此本文后面章节重点对d s p 数据处理系统和p c i 总线接口的 实现作详细介绍。 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 3 3 软件设计 虚拟探伤仪的软件包括应用软件和系统软件。应用软件与超声波探伤系统的功 能和技术要求有关，包括驱动程序、控制程序、数据处理程序、系统运行界面程序 等。系统软件是计算机实现其运行的平台，本仪器采用的是应用广泛的w i n 9 x 操作 系统。 软件是实现、完善和提高超声波探伤系统功能的重要手段。随着虚拟探伤仪实 现功能的不断扩充，导致软件愈来愈复杂，使得程序结构混乱，难以设计和调试， 更难以修改和移植，缺乏灵活性和通用性。 在设计本探伤仪的应用软件时，充分考虑了在编制、调试、运行和升级等方面 的因素，采用了模块化编程思想，对与超声波探伤功能相关的数据和操作该数据的 函数进行封装，这样不仅使程序结构更加紧凑，同时也避免了数据紊乱带来的调试 与维护的困难。将整个应用程序分解成各封装完备的模块，可以分别对其进行设计、 调试，修改时也只需要根据要求来修改所对应的模块。按照这种设计方案，各种模 块之间必然有横向联系，包括模块之间的相互通信和操作等，在w i n d o w s 环境下这 些都可以通过“消息”机制来实现。 在本探伤仪的设计中，探伤专用卡以中断方式与主机相互通信，以便主机软件 读取波形数据并进行后续处理。利用中断方式可以进行周期性比较强的数据传送， 中断信号的处理速度主要取决于c p u 的处理能力，包括内存的访问时间和中断响应 速度，与操作系统的处理方法也密切相关。在一定限度内，可以利用中断方式实现 数据的实时性传输。中断系统具有可扩充、可改变的能力，当同一电路卡应用于其 它同类计算机时，只需通过对现存的中断源作相应的调整即可正常工作。 中断方式实施起来比较复杂。在d o s 操作系统下，应用程序独占系统资源，程 序常常直接访问硬件。但在w i n d o w s 工作平台下，系统对硬件的安全性提出了更高 的要求。应用程序虽然可以做一些低级任务( 如捕获软件中断) ，但总是受到很大 限制，不能直接响应硬件中断请求。要实现应用程序和探伤接口设备之间的通信需 要借助虚拟设备驱动程序( v x d ) 。因为本系统的探伤卡是周期性的向主机发送中断 信号，为保证中断的及时响应，主机处理数据的时间不能超过中断间隔，否则就会 造成中断的丢失，从而使主机的对探伤信号的后续处理失去意义，严重时则可能会 使系统资源被该中断处理耗尽，导致系统崩溃。 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章四通道虚拟超声波探伤仪的硬件结构 本探伤仪的专用探伤接口卡的设计是建立在原双通道虚拟超声波探伤仪接口 卡基础上的。主要功能模块包括模拟信号调理( 滤波、检波、数控放大) 、数据压 缩电路、d s p 数据处理单元等，下面就对各功能模块分别作详细阐述。 4 1 发射接收电路 超声波探伤仪中，探头是进行声电信号相互转换的器件，它的核心元件是压电 晶片。发射电路产生的高压脉冲加于压电晶片使其发射出超声波，激励高压脉冲的 产生可以通过控制电路的触发脉冲控制。 超声波反射回探头使得压电晶片发生高频振动，晶片将其产生的电信号传送给 接收电路，进行后续处理。对于单探头探伤，发射和接收用同一个探头。本仪器在 一块探伤接口卡上设计了四路发射接收电路，由信号选择电路控制发射接收电路的 选通，从而实现了多通道探伤。 4 2 模拟信号调理部分 模拟信号调理部分需要对发射接收电路传送过来的信号进行滤波处理，因为信 号通过发射接收电路，不可避免地引入外部干扰和噪声。为了使得最后得出的结果 更加可靠，这些干扰和噪声应当尽可能加以滤除并对有效信号进行放大。滤波后的 信号经a d 采样后由d s p 进行实时数据处理。处理完的数据则通过p c i 总线传送到 主机，由主机对数据做迸一步的后续处理，并显示各通道的相应波形。下面着重分 析一下增益控制电路设计原理。 超声波探伤仪的系统增益是仪器性能的一个重要指标，在信号可见情况下，系 统增益范围越大越好。由超声波探头转换而来的电信号一般都是毫伏级的弱电信 号，部分信号只有几十微伏，只有对信号进行适当的放大，使之满足a d 输入信号 动态范围的要求才能进行正常的探伤工作。 本探伤接口卡中，增益可控放大器采用的是a d 6 0 3 芯片。a d 6 0 3 是一低噪、 压控增益可调集成运放，增益控制范围为一1 0 d b 3 0 d b ( 9 0 m h z 带宽) 、0 d b 4 0 d b ( 3 0 m h z 带宽) 和1 0 d b 5 0 d b ( 9 m h z 带宽) ，可用于射频自动增益放大器、视频 增益控制、a d 转换量程扩展和信号测量系统。为保证仪器的总增益足够大( 设计 为1 0 0 d b ) ，使用了三块a d 6 0 3 ，而每块a d 6 0 3 的可变增益都可达到4 0 d b ，确保 了仪器的系统增益要求。 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 实现增益控制选用的d a 器件是m a x 5 0 8 。m a x 5 0 8 的数据输入端是1 2 位， 可以使增益调节的精度达到0 1 d b ，保证了仪器的精度。由于m a x 5 0 8 的输入输出 之间的线性关系较强。故可以用一片m a x 5 0 8 进行0 - 1 0 0 d b 的系统增益控制。增 益控制示意图如图4 1 所示： 模拟信号输入 v o u t 1 2 位d a 输 ooo oo ooo c 珊 一g n dc 0 埘一g n dc 0 嘣 g p o sv o u t - +g p o sv o u t +g p o s v o u t 图4 1 增益控制示意图 输出 由图中可以看出，m a x 5 0 8 的输出信号v o u t 接入a d 6 0 3 的g p o s 端，a d 6 0 3 的 g n e g 、c o m m 端均接模拟地。由m a x 5 0 8 的单路输出同时控制三片a d 6 0 3 。通 过对m a x 5 0 8 的输入端口写入相应的数值即可改变其输出a m p ，从而达到控制 a d 6 0 3 放大倍数的目的。实际应用中选用的m a x s 0 8 的输入端i ：1 1 是0 x 2 4 2 ( 低八位 d a 输入) 和0 x 2 4 3 ( 高四位d a 输入) 。 4 3 数据采集与压缩 模拟信号在由d s p 处理之前必须进行采样转换成数字信号。采样频率越高，超 声波信号检测的水平分辨率就越高，因而可以检测到相对较小的缺陷。本仪器使用 的是8 位1 2 m h z 的a d ，按照采样理论，该采样率可以对6 m h z 以下的模拟信号 实现无失真采样。a 巾采样后的数据并不直接交由d s p 处理，而是先经过非均匀采 样处理再送至数据存储器存储。数据存储器应能够存储形成一帧探伤波形所需的全 部数据。因为a d 采样输出为8 位，所以使用一个字节来表示采样点的数值大小， 反映在主机显示的波形图中就是图形的垂直高度，代表了超声波信号的大小信息。 在实际应用中，数据存储器容量被设计为3 2 0 x 8 位，也即意味着主机显示的波形 南京航空航天大学硕士学位论文 图的水平宽度为3 2 0 。 a d 采样后的数据在送数据存储器之前，先通过数字检波器对每一个采样点的 采样频率进行控制以实现数据的非均匀采样。采集与压缩电路如图4 2 所示。 图4 2 数据采集与压缩框图 图中的压缩比存储器容量和数据存储器容量相同，均为3 2 0 8 位。压缩t b 存 储器中存储了对应着波形图3 2 0 个点的“压缩比”数据。计数器l 采用加计数器， 计数到o x f f 即停止计数，并将比较器的结果存入数据存储器。例如若压缩比存储 器中第n 个压缩比数据为0 x f e ，则1 个采样时钟后计数器l 满，比较器将本时刻 采样数据和下一时刻采样数据中较大数据存入数据存储器的第r t 个单元。简单地说， 压缩比为1 ，检波器输出原数据；压缩比为2 ，检波器输出就是2 个采样点数据中 最大值。以此类推，可知：如果压缩比存储器中第1 1 个单元数据为d a t a 时，数据存 储器中第n 个单元数据的实际采样频率就是1 2 ( 0 x f f d a t a + 1 ) m h z 。当需要调整 波形图中某一点的压缩比时，只需向压缩比存储器中对应单元写入调整数据即可。 为保证整个模块的工作频率，此处的数据存储器和压缩比存储器都采用了f i f o 存 储器。与普通多址存储器相比，f i f o 存储器不仅功耗低，而且存取速度更快，并 且只占用一个外围地址端口，节省了主机的地址资源。由上面论述可以看出该电路 巧妙地实现了对数据的非均匀采样，提高了仪器的探测深度。 4 4d s p 数据采集处理予系统 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t i 公司推出的一款性价比极高的定点数字信号处理器，一经 推出即以其独有的高性能、低功耗、低价格特性受到业内用户欢迎，选用c 5 4 0 2 作 为数字信号核心处理器，不仅解决了实时探伤数据处理问题，而且可以利用p c i 2 0 4 0 桥芯片实现p c i 总线与其主机接口间的无缝连接。传统的微处理器如单片机与主机 通信需要外加扩展接口芯片，不便对片内资源访问。主机接口( h p i ) 是t i 高性能 d s p 上配置的与主机进行通信的片内外设，在中小系统应用中无需使用额外的扩展 基于p c i 总线的虚拟超声波探伤仪的实现 芯片，降低了设计成本并提高了系统的稳定性。下面就对本仪器主机如何通过d s p 的主机接口( h p i ) 实现与探伤卡通信的作一阐述。 4 4 ，ld s p 主机接口 c 5 4 x 的d s p 内部c p u 是1 6 位的，而h p i 提供的数据总线为8 位，因此数据传 送必须按字节进行。h p i 能自动把外部接口传来的连续的8 位总线数据合成一个1 6 位数据后传送给c 5 4 x 。主机可以通过三个h p i 寄存器实现对d s p 片内d r a m 的访问。 这三个寄存器分别是： 1 h p i 地址寄存器( h p i a ) ：由主机直接访问。寄存器中保存了当前要访问的 d s p 片内存储器地址。 2 h p i 数据寄存器( h p i d ) ：由主机对其直接访问。如果当前操作是读，则将 数据从h p i a 当前所指向的存储器中读入该寄存器：如果当前操作是写，则将该寄 存器内容写入h p i a 当前所指向的存储器中。当进行较大的数据块读写操作时，可 以通过地址自增方式对h p i d 进行读写。 3 h p i 控制寄存器( i p i c ) ：被主机和c 5 4 x 直接访问。它映像在c 5 4 x 数据存 储器的地址0 0 2 c h 处，该寄存器中保存了h p i 的控制和状态位。在进行第一个数据 或地址寄存器操作前必须先初始化h p i c 的b o b 位。由于主机接口总是传送8 位字 节，而h p i c 寄存器( 通常是主机首先要寻址的寄存器) 又是一个1 6 位的寄存器， 在主机这边就以相同内容的高字节与低字节来管理h p i c 寄存器( 尽管某些位的寻 址受到限制) ，而在c 5 4 x 这边高位是不用的。b o b 位为零，表示传输的第一个字节 是高字节；b o b 位为l 则表示传输的第一个字节是低字节。 如果连续寻址h p i 存储器，可以利用h p i 存储器地址的自动增量特性。在自动 增量方式下，每进行次读操作，都会使h p i a 事后增l ；每进行一次写操作，都会 使h p i a 事先增l 。h p i a 寄存器是一个1 6 位的寄存器，它的每一位都可以读出和写 入。尽管寻址2 k 字的h p i 存储器只要1 1 位最低有效位地址，但h p i a 的增减对寄 存器的所有1 6 位都会产生影响。 h p i 有两种工作模式： 1 共用寻址方式( s 删) 。这是常用的操作方式。在此方式下，主机和c 5 4 x 都 可以寻址h p i 存储器，如果c 5 4 x 与主机的周期发生冲突，则主机具有寻址优先权。 2 仅主机寻址方式( h o m ) 。在此方式下，仅仅主机可以寻址h p i 存储器。h p l 支持主设备与c 8 4 x 之间高速数据传送。要使d s p 正常工作需要对主机接口控制与 状态寄存器( h p ic s p ) 进行正确的设置。当机器时钟为4 0 m h z ，以h o m 方式进行传 输时，速率可高达1 6 0 m b s 。 南京航空航天大学硕士学位论文 4 4 2 程序自举加载 在c 5 4 0 2 的4 k x l 6 b i t 在片r o m 内含有d s p 系统的自举载入b o o t l o a d e r 程序( r o m 空间分配内容参表4 1 ) 。系统复位后，b o o t l o a d e r 将用户代码从外部非易失存储 器中传送到d s p 片内高速r a m 内，以 保证代码能够全速运行。 与t m s 3 2 0 5 4 x 系列的其它芯片 相比，c 5 4 0 2 以其独有的高性能、低 功耗、低价格特性受到用户的欢迎， 但它的内部结构和片内掩膜的引导 装载( b o o t l o a d e r ) 程序与c 5 4 x 系 列其它d s p 处理器有较大差异。因 此，下面就简单介绍一下c 5 4 0 2 的 b o o t l o a d e r 程序和其实现方法，并 对h p ib o o t l o a d e r 作了较详细地介 绍。 为满足不同系统的要求，c 5 4 0 2 提供了不同的自举模式： ( 1 ) 主机接口( h p i ) 模式； 地址起止范围程序代码内容 f o o o h f t f f h保留 f 8 0 0 h f b f f h引导装载 f c o o h f c f f hu 一律扩张表 f d o o h f d f f ha 一律扩张表 f e o o h f e f f h正弦对照表 f f o o h - - f f t f h保留 f f 8 0 h f f f f h 中断向量表 表4 15 4 0 2 片内r o m 分配表 ( 2 ) 8 位串行e e p r o m ( s p i ) 模式； ( 3 ) 8 位或者1 6 位的并口i 0 模式； ( 4 ) 标准8 位或1 6 位串口模式： ( 5 ) 8 位或1 6 位i o 模式。 系统上电复位后，c 5 4 0 2 检测其 伊m c 引脚，如果膨p 肘c = “0 ”则从在 片r o m 内f 8 0 0 h 地址处开始执行b o o t l o a d e r 程序，b o o t l o a d e r 会先对d s p 的状态 寄存器进行设置，然后开始一系列测试并判断用何种模式加载代码。b o o t l o a d e r 首 先检测的是h p i 模式。 在h p i 模式下，主机可在c 5 4 0 2 脱离复位状态后加载代码，并且可以在加载期 间确定代码的入口点，也就是c 5 4 0 2 开始执行代码的起点。系统复位后，b o o t l o a d e r 会立即将地址0 7 f h 处内容初始化为o ，并开始对该地址内容不断查询，在此轮询期 间，主机可以将代码加载至d s p 的在片r a m 中。主机完成代码加载过程后，需要将 代码入口点写入0 7 f h 地址中。当b o o t l o a d e r 检测到0 7 f h 内容非零时，便将其作 为目的地址，把程序转移到该处开始执行。图4 3 就是c 5 4 0 2 的自举加载流程图。 壁至堡燮塑生型塑皇鎏塑堡堡塑壅堡 图4 3 自举加载流程图 从流程图中可以看到，如果c 5 4 0 2 的i n t 2 引脚有效，b o o t l o a d e r 只会对0 7 f h 内容轮询，而忽略其它自举模式。如果i n t 2 引脚无效，则b o o t l o a d e r 会继续检测 其它自举模式( 包括h p i 模式) ，直至某个自举模式可以进行加载为止。 当所有的自举模式都不符合加载条件的时候，b o o t l o a d e r 会重新对自举模式进 行检测。需要注意的是，b o o t l o a d e r 并不是对所有自举模式都进行重新检测的。 将用户代码掩膜到在片r o m 中，成本较高而且限制了用户代码不能超