一種基于FPGA的A超數字式探傷系統的研究

2 數字部分

　　2.1 微控制單元

　　該系統的數字部分以微控制單元（MCU）作為整個(gè)超聲檢測系統的控制核心。在此選用了Intel公司的16位單片機MCS196kc，該MCU不但具有16位的數據運算功能，而且提供了強大的控制能力。其實(shí)現有的功能主要有：（1）控制顯示模塊和鍵盤(pán)接口模塊，實(shí)現人機界面的交互；（2）完成檢測結果的存儲、打??；（3）提供與微機之間可靠的數據傳輸；（4）實(shí)現對電源模塊的管理；（5）調節模擬部分中運放的放大增益倍數。

　　2.2 基于FPGA的實(shí)時(shí)數字信號處理單元

　　FPGA在整個(gè)檢測系統中是數字信號處理的核心部件，借助其用戶(hù)可編程特性及很高的內部時(shí)鐘頻率，設計了專(zhuān)用于超聲檢測的數據處理芯片，如圖4所示。該芯片主要由以下幾個(gè)功能模塊構成：（1）數據處理所需的參數寄存器堆；（2）窄脈沖發(fā)生模塊；（3）采樣延遲控制模塊；（4）數據采集、存儲、壓縮模塊；（5）進(jìn)波門(mén)、DAC缺陷自動(dòng)判斷模塊；（6）失波門(mén)缺陷自動(dòng)判斷模塊?，F結合圖5簡(jiǎn)述圖4所示的信號處理過(guò)程：MCU以一定的頻率不斷向FPGA傳送方波脈沖信號，每一個(gè)脈沖信號將觸動(dòng)一次檢測過(guò)程。脈沖信號的上升沿使窄脈沖發(fā)生電路開(kāi)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(shí)時(shí)間才能經(jīng)過(guò)耦合劑到達探測工件，所以在窄脈沖信號產(chǎn)生以后，延時(shí)電路將起作用，用以控制采樣開(kāi)始的時(shí)間。經(jīng)過(guò)（t2-t1）的延時(shí)，超聲波到達工件表面，采樣開(kāi)始。處理單元首先根據所檢測到的鋼板厚度選擇相應的數據處理模塊。如果鋼板為溥型板材，數據采集、存儲模塊將工作；如果鋼板為中厚板材，數據采集、壓縮、存儲模塊將運行。采樣過(guò)程結束后，在（t4-t3）的時(shí)間段內，處理單元自動(dòng)對該次采樣中的回波信號進(jìn)行缺陷判斷。如果發(fā)現有缺陷或失波存在，探傷系統會(huì )給出報警信號，通知MCU，并結束這一次的檢測過(guò)程，等待下一個(gè)由MCU傳來(lái)的脈沖信號，從而開(kāi)始新一輪的檢測過(guò)程。

　　3 超聲探傷系統的軟件

　　在整個(gè)數字式超聲探傷系統中，軟件的設計占有重要的地位。為此采用了匯編語(yǔ)言和VB高級語(yǔ)言分別對MCU和PC機進(jìn)行編程。整個(gè)軟件系統包括工作主界面和參數設置界面。其中，工作界面主要包括：增益/補償、聲程/標度設計抑制/聲速、閘門(mén)設計DAC曲線(xiàn)擬合、回波波形顯示缺陷記錄、缺陷回放、缺陷報告打印、與PC機間的數據通訊。參數設置界面主要包括：探頭設置、儀器設計、頻道設置、密碼設置和時(shí)鐘校準。

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