一種基于FPGA的A超數(shù)字式探傷系統(tǒng)的研究

摘要：簡略介紹了超聲探傷的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于FPGA的A型數(shù)字式超聲系統(tǒng)的構(gòu)成方式，著重介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。其中，基于FPGA的數(shù)字信號處理模塊從根本上解決了傳統(tǒng)A型探傷儀的采樣速度低、處理速度慢的問題。

關(guān)鍵詞：MCS196kc單片機(jī) 無損檢測 超聲波探傷 FPGA 數(shù)字信號處理 DAC曲線

超聲波是一種機(jī)械波，機(jī)械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎(chǔ)。超聲波在媒介中傳播，有波的疊加、反射、折射、透射、衍射、散射及吸收衰減等特性，一般遵循幾何光學(xué)的原則。A超探傷儀采用幅度調(diào)制（Amplitude Modulation）顯示，在顯示屏幕上以橫坐代表被測物的深度，縱坐標(biāo)代表回放脈沖的幅度。

超聲波探傷的方法很多，按其原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。本系統(tǒng)采用脈沖反射法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢測試塊內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等，這里只介紹缺陷回波法。圖1是缺陷回波法示意圖。當(dāng)試件完好時，超聲波可順利傳播到達(dá)底面，探傷圖形中只有表面發(fā)射脈沖T及底面回波B兩個信號，如圖1（a）所示；若試件中存在缺陷，在探傷圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如圖1（b）所示。

?

整個系統(tǒng)的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括模擬和數(shù)字兩部分，以下分別介紹。

1 模擬部分

該系統(tǒng)的模擬部分主要由發(fā)射電路、限幅機(jī)構(gòu)、高頻放大、帶通濾波、檢波等幾部分組成。

圖2 超聲檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

發(fā)射電路主要用來產(chǎn)生高壓窄脈沖信號（400V），以激勵超聲波探頭發(fā)射超聲波。由于不同探頭的諧振頻率不同，所以要求脈沖激勵信號的寬度可調(diào)。在發(fā)射電路的設(shè)計(jì)中，由FPGA提供給發(fā)射電路低壓可調(diào)脈寬的激勵信號，再由發(fā)射電路將其轉(zhuǎn)換為高壓的窄脈沖激勵信號，其脈沖寬度可變。

隔幅機(jī)構(gòu)是對某些過大的回波電信號進(jìn)行電壓幅值的限制，以免電壓過大影響后繼高頻放大器的正常工作，甚至燒毀電路器件。限幅電路的限幅幅值為±3V左右。

高頻放大電路用來對回波電信號進(jìn)行放大，放大范圍可從-10dB到110dB。由于測試對象鋼板的厚度不一，故回波信號的強(qiáng)弱也不定。所以，要把高頻放大電路設(shè)計(jì)成可以動態(tài)控制增益值的程控放大電路，可通過MCU來實(shí)現(xiàn)。

帶通濾波電路對信號放大過程中引入的噪聲進(jìn)行控制。由于超聲探頭的發(fā)射頻率范圍較寬（400kHz～10MHz），如果使放大器通帶范圍固定為400kHz～10MHz，勢必影響濾波效果。在本文中，設(shè)計(jì)了可程控的兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz。

超聲波探傷系統(tǒng)回波波形的顯示方式通常有兩種：射頻顯示（不檢波顯示）和視頻顯示（檢波顯示），如圖3所示。射頻顯示可以保持波形狀態(tài)，有助于缺陷性質(zhì)的識別；而視頻顯示則有利于峰值采集，以便確定缺陷當(dāng)量。為了分別滿足這兩種顯示的要求，在設(shè)計(jì)中加入了檢波與非檢波的切換電路，電路的切換受MCU控制。

?

2 數(shù)字部分

2.1 微控制單元

該系統(tǒng)的數(shù)字部分以微控制單元（MCU）作為整個超聲檢測系統(tǒng)的控制核心。在此選用了Intel公司的16位單片機(jī)MCS196kc，該MCU不但具有16位的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，而且提供了強(qiáng)大的控制能力。其實(shí)現(xiàn)有的功能主要有：（1）控制顯示模塊和鍵盤接口模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互；（2）完成檢測結(jié)果的存儲、打印；（3）提供與微機(jī)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸；（4）實(shí)現(xiàn)對電源模塊的管理；（5）調(diào)節(jié)模擬部分中運(yùn)放的放大增益倍數(shù)。

2.2 基于FPGA的實(shí)時數(shù)字信號處理單元

FPGA在整個檢測系統(tǒng)中是數(shù)字信號處理的核心部件，借助其用戶可編程特性及很高的內(nèi)部時鐘頻率，設(shè)計(jì)了專用于超聲檢測的數(shù)據(jù)處理芯片，如圖4所示。該芯片主要由以下幾個功能模塊構(gòu)成：（1）數(shù)據(jù)處理所需的參數(shù)寄存器堆；（2）窄脈沖發(fā)生模塊；（3）采樣延遲控制模塊；（4）數(shù)據(jù)采集、存儲、壓縮模塊；（5）進(jìn)波門、DAC缺陷自動判斷模塊；（6）失波門缺陷自動判斷模塊。現(xiàn)結(jié)合圖5簡述圖4所示的信號處理過程：MCU以一定的頻率不斷向FPGA傳送方波脈沖信號，每一個脈沖信號將觸動一次檢測過程。脈沖信號的上升沿使窄脈沖發(fā)生電路開始工作，產(chǎn)生窄脈沖激勵信號。激勵信號產(chǎn)生以后，由于超波需要一段延時時間才能經(jīng)過耦合劑到達(dá)探測工件，所以在窄脈沖信號產(chǎn)生以后，延時電路將起作用，用以控制采樣開始的時間。經(jīng)過（t2-t1）的延時，超聲波到達(dá)工件表面，采樣開始。處理單元首先根據(jù)所檢測到的鋼板厚度選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊。如果鋼板為溥型板材，數(shù)據(jù)采集、存儲模塊將工作；如果鋼板為中厚板材，數(shù)據(jù)采集、壓縮、存儲模塊將運(yùn)行。采樣過程結(jié)束后，在（t4-t3）的時間段內(nèi)，處理單元自動對該次采樣中的回波信號進(jìn)行缺陷判斷。如果發(fā)現(xiàn)有缺陷或失波存在，探傷系統(tǒng)會給出報(bào)警信號，通知MCU，并結(jié)束這一次的檢測過程，等待下一個由MCU傳來的脈沖信號，從而開始新一輪的檢測過程。

?

3 超聲探傷系統(tǒng)的軟件

在整個數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)占有重要的地位。為此采用了匯編語言和VB高級語言分別對MCU和PC機(jī)進(jìn)行編程。整個軟件系統(tǒng)包括工作主界面和參數(shù)設(shè)置界面。其中，工作界面主要包括：增益/補(bǔ)償、聲程/標(biāo)度設(shè)計(jì)抑制/聲速、閘門設(shè)計(jì)DAC曲線擬合、回波波形顯示缺陷記錄、缺陷回放、缺陷報(bào)告打印、與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊。參數(shù)設(shè)置界面主要包括：探頭設(shè)置、儀器設(shè)計(jì)、頻道設(shè)置、密碼設(shè)置和時鐘校準(zhǔn)。

當(dāng)超聲探頭的發(fā)射頻率在10MHz以上時，以現(xiàn)有的采樣速率（40MHz）進(jìn)行采樣就很有可能造成回波信號波峰值的丟失。在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案中，制約速度的瓶頸主要集中在將采樣得到的回波信號值轉(zhuǎn)存到外部的RAM中上，受RAM速度制約，整個系統(tǒng)的工作頻率難以進(jìn)一步提高。