一種基于FPGA的A超數(shù)字式探傷系統(tǒng)的研究

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MCS196kc，該MCU不但具有16位的數(shù)據(jù)運算功能，而且提供了強大的控制能力。其實現(xiàn)有的功能主要有：（1）控制顯示模塊和鍵盤接口模塊，實現(xiàn)人機界面的交互；（2）完成檢測結(jié)果的存儲、打印；（3）提供與微機之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸；（4）實現(xiàn)對電源模塊的管理；（5）調(diào)節(jié)模擬部分中運放的放大增益倍數(shù)。

　　2.2 基于FPGA的實時數(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）進波門、DAC缺陷自動判斷模塊；（6）失波門缺陷自動判斷模塊?，F(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機進行編程。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/補償、聲程/標度設(shè)計抑制/聲速、閘門設(shè)計DAC曲線擬合、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(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、頻道設(shè)置、密碼設(shè)置和時鐘校準。

　　當超聲探頭的發(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)的工作頻率難以進一步提高。