基于TMS320C6201的鋼軌超聲波探傷系統

　　1　引言

　　目前鐵路路檢部門(mén)的檢測設備主要是手推式鋼軌探傷儀。檢測時(shí)由工人技師根據儀器顯示屏上的超聲波回波信號波形,依據過(guò)去經(jīng)驗判斷鋼軌是否有損傷,并需人工進(jìn)行確認。這種探傷方式,主觀(guān)性較高,效率較低,且不能得到損傷詳細情況。同時(shí),這種超聲波探傷儀沒(méi)有對檢測信號記錄和信息處理的功能,現場(chǎng)檢測時(shí)依賴(lài)工作人員主觀(guān)對儀器顯示屏上的超聲回波信號進(jìn)行判斷和手工記錄,所以檢測結果的準確性和可靠性有很大的隨機因素。更重要的是,按照國際施工檢驗標準規定,超聲波檢測必須要有可靠和可信的現場(chǎng)記錄。

　　因此,不論是從提高施工質(zhì)量檢驗水平和管理水平,還是與國際標準接軌方面考慮,都有必要增加超聲波探傷檢驗信息的智能化處理和自動(dòng)記錄功能。近年來(lái),數字技術(shù)已經(jīng)部分應用于超聲波探傷設備中,這些探傷儀可分為以下兩種類(lèi)型:一種在傳統的超聲波探傷儀的基礎上增加PC機系統組合而成,這種系統一般體積較大,不適合野外作業(yè),使用不方便;另一種是在儀器使用單片機技術(shù),對信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的采集、顯示,但由于單片機芯片的性能限制,不能對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,只是簡(jiǎn)單的數字化。

　　我們研制的探傷系統把現今最先進(jìn)的數字信號處理器技術(shù)應用于超聲波探傷儀,能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行信號采集、處理、顯示,具有信號存儲,并可與PC機通訊的探傷系統。該系統分為硬、軟件兩部分。

　　2　系統概述

　　本研究項目是運用近年來(lái)數字信號處理技術(shù)方面的最新成果,研制出的一種新型鋼軌超聲探傷系統。本系統對比原探傷儀增加了對超聲波回波信號進(jìn)行數字化,并進(jìn)行實(shí)時(shí)信號處理,信號分析,常見(jiàn)的損傷信號判斷處理,損傷的類(lèi)型確定并可具體計算損傷的相應大小及位置?，F場(chǎng)使用時(shí),把該系統的新功能和工人的經(jīng)驗相結合,可得到非常理想的結果。明顯克服原儀器的不足,提高探傷的準確性和可靠性。并提高勞動(dòng)效率,降低勞動(dòng)強度。

　　另外,該系統對超聲波信號進(jìn)行存儲記憶,與PC機進(jìn)行通訊, 將數據存儲在PC機上,為以后在PC機上實(shí)現對信號的再處理分析提供條件。系統的核心判斷部分由軟件算法來(lái)完成,這就為日后隨著(zhù)研究的深入,改進(jìn)分析處理算法,升級系統提供較簡(jiǎn)便的方法。系統結構示意見(jiàn)圖1所示。整個(gè)系統有三個(gè)部分組成。

　　超聲波發(fā)送接受部分,包括超聲波產(chǎn)生發(fā)射、接受、信號調理;DSP信號處理部分,包括數字信號采集、數據信號傳輸、 DSP數據實(shí)時(shí)處理、報警;顯示部分主要將前部分處理后的信號及信號處理結果進(jìn)行顯示及存儲、和 PC機的通訊。經(jīng)超聲波換能器(探頭)發(fā)射并接受的回波信號經(jīng)前端信號調理進(jìn)行AD轉換、采集,由DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析。處理的最后結果通過(guò)前端的PIC16F877 單片機(front MCU)進(jìn)行永久存儲并顯示。

　　系統的信號存儲器容量有限,需要定時(shí)將儀器內存儲的信息保存到PC機上。通過(guò)儀器上的串口與PC機進(jìn)行通訊,以便存儲下載到微機上保存?？梢詫Ρ４嬖谖C上的信號利用我們編制的程序進(jìn)行再現,或利用其他信號分析工具進(jìn)行再分析。

　　3　信號處理設計

　　3.1　信號采集及數據傳輸設計

　　系統中的超聲波換能器的標稱(chēng)工作頻率為 2 MHz,實(shí)際由于探頭的晶片顯示和安裝工藝的影響,實(shí)際頻帶范圍在標稱(chēng)頻率的±5%左右。根據采樣定律,實(shí)際上采樣頻率至少應為信號的二倍,系統中我們的采樣頻率為5 MHz。為實(shí)現較高的采樣頻率和數字傳輸,硬件結構圖如圖2所示:AD轉換器件 AD9042其采樣頻率為5 MHz,精度為12位,其時(shí)鐘時(shí)信處理板上的時(shí)鐘經(jīng)分頻提供。雙口RAM采用兩片IDT公司的IDT7042組成,容量為4K×32位。右端與C6201相連,占用C6201的CE3空間。左端與 AD9042之間采用FPGA進(jìn)行連結,FPAG(Field Programmable Gate Array)即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列,是一種半定制電路。通過(guò)對FPGA編制程序,FPGA控制AD啟動(dòng)和采樣頻率,并由FPGA存儲A/D采樣結果。超聲波信號經(jīng)過(guò)前端調理電路處理,信號進(jìn)入 AD9042。采樣的數據經(jīng)FPGA鎖存,同時(shí)FPGA通過(guò)LCE# LWE# DRACS選定一片雙口RAM,通過(guò)地址產(chǎn)生器產(chǎn)生的地址,將數據存儲到IDT7042 中。當數據存儲滿(mǎn)時(shí),FPGA觸發(fā)DSPC6201的外部 INT7中斷,DSP運行中斷處理程序,將數據存入到雙口RAM中。同時(shí),FPGA將采樣的數據存儲到另一片雙口RAM中。DSP的存儲操作不影響A/D采樣。