超聲波檢測(cè)高速數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)的研究

超聲波檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用，它提供了評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測(cè)其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號(hào)的高頻特性，超聲波檢測(cè)早期僅使用模擬量信號(hào)的分析，大部分檢測(cè)設(shè)備僅有A掃描形式，需要通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)信號(hào)進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對(duì)檢測(cè)和分析人員的要求較高，因此，人為因素對(duì)檢測(cè)的結(jié)果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動(dòng)化檢測(cè)。
八十年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國(guó)內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類(lèi)數(shù)字化超聲波檢測(cè)設(shè)備，并已成為超聲波檢測(cè)的發(fā)展方向。但是，這些設(shè)備也僅停留在超聲波檢測(cè)頻率較低的頻段的信號(hào)處理上，主要是受到高速A/D和高速存儲(chǔ)技術(shù)的限制。
為了減少人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，使波形能記錄和保存，并達(dá)到檢測(cè)結(jié)果的直觀性，需實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)分析和成像處理，這就要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集和大數(shù)據(jù)量緩沖。因此，開(kāi)展數(shù)據(jù)高速采集技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)是非常必要的，它是能否實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)分析和成像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。
2．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及意義
目前國(guó)內(nèi)外在超聲波檢測(cè)領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展速度很快。國(guó)內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。
國(guó)際上對(duì)超聲波檢測(cè)數(shù)字化技術(shù)的研究非常重視，國(guó)外生產(chǎn)類(lèi)似產(chǎn)品和研究的公司有美國(guó)的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德國(guó)的K-K公司、法國(guó)的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述這些公司生產(chǎn)的超聲波檢測(cè)采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術(shù)水平較高，在世界上處于領(lǐng)先水平。
國(guó)外已把100MHZ以上采樣頻率的高速A/D技術(shù)用于超聲波信號(hào)的采集，大容量緩沖技術(shù)也達(dá)到一定的水平，信號(hào)的分析和成像處理已實(shí)現(xiàn)A、B、C掃描。雖然國(guó)內(nèi)已開(kāi)展這方面的研究與開(kāi)發(fā)，但是在技術(shù)應(yīng)用上還是存在一定的差距。
因此，開(kāi)展該項(xiàng)技術(shù)的研究，如何把高速A/D技術(shù)、大容量緩沖技術(shù)以及信號(hào)的處理、分析和成像技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，并應(yīng)用到超聲波檢測(cè)的工程需要上去，是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題，它可提高我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)水平，跟上世界先進(jìn)的現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)技術(shù)步伐，使我國(guó)超聲波檢測(cè)水平上一個(gè)臺(tái)階。
3．系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
我們所研究和開(kāi)發(fā)的數(shù)字式超聲波檢測(cè)和成像處理系統(tǒng)是采用PC微機(jī)，以高速實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)及數(shù)字成像為主要技術(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由下列部分組成：雙微機(jī)（或工控機(jī)）系統(tǒng)、超聲波脈沖發(fā)射器、超聲波信號(hào)接收器、高速數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理和分析軟件包以及傳感器、探頭運(yùn)動(dòng)和掃描控制系統(tǒng)等。
3．1 系統(tǒng)的基本功能
l 具有A型掃描超聲波探傷設(shè)備的全部功能和分析方法
l DAC曲線調(diào)校點(diǎn)數(shù)1—32點(diǎn)任選
l 工作頻率：1—40MHZ
l 具有可程控和可選擇的四通道方式和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄
l 檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤(pán)
l 全漢化的WINDOWS NT用戶(hù)界面，雙計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)工作
l 多窗戶(hù)的圖形分析
l 可事后分析、處理、測(cè)試任何位置范圍內(nèi)的探傷情況
l 實(shí)時(shí)的A掃描顯示（單、雙、四通道方式可選）、掃查控制顯示
l 事后A掃描顯示、B掃描顯示、C掃描顯示，3D顯示，各顯示方式可相互比較
l 分析結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告軟件，打印出分析結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告
l 掃查控制接口協(xié)調(diào)
3．2 主要研究?jī)?nèi)容
l 高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有100MHZ以上采樣頻率。
l 檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)（因數(shù)據(jù)量很大，需實(shí)現(xiàn)高速緩沖存儲(chǔ)）。
l 設(shè)備的小型化和保密性。
l 多通道檢測(cè)的通道切換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配。
l 數(shù)據(jù)管理、同步方式選擇、高速回放。
由于目前采樣頻率100MHZ以上的高速A/D轉(zhuǎn)換器已產(chǎn)品化，計(jì)算機(jī)總線的傳輸速率已大大提高，高速大容量緩沖的出現(xiàn)，使得高頻信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳送和存儲(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)。在研究?jī)?nèi)容中，充分考慮到目前關(guān)鍵技術(shù)所采用的器件類(lèi)型，保證研究?jī)?nèi)容的完成。
4．信號(hào)采集及其處理
信號(hào)采集、處理和分析是研究和工業(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的常用工具，也是超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)所采用的有效方法。其目的是通過(guò)增強(qiáng)接收信號(hào)中某些特征，從而取出對(duì)檢測(cè)目的特別有用的信息。
4． 1數(shù)據(jù)采集及模/數(shù)轉(zhuǎn)換
4．1．1 基本概念
超聲檢測(cè)設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集通過(guò)換能器傳遞信號(hào)，它把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)具有連續(xù)的形式，為使它能由計(jì)算機(jī)處理，需將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是通過(guò)對(duì)信號(hào)在各個(gè)離散的瞬間進(jìn)行取樣完成的，即將信號(hào)幅度數(shù)字化成一系列數(shù)字的過(guò)程。
從理論上說(shuō)，對(duì)幅度的取樣是瞬時(shí)的，而數(shù)字的表達(dá)又是無(wú)限精確的。而實(shí)際上，取樣是限時(shí)的，幅度也是被轉(zhuǎn)換成有限位數(shù)的二進(jìn)制代碼。對(duì)于一個(gè)有實(shí)用價(jià)值，最高頻率為fM 的有限帶寬信號(hào)所進(jìn)行的連續(xù)時(shí)間富氏變換得到的是一個(gè)總頻帶寬度為2 fM的對(duì)稱(chēng)函數(shù)。取樣信號(hào)s[n]是將s(t)乘以取樣函數(shù)：
d(t)=∑δ(t-nT)
式中：T---取樣時(shí)間間隔；
δ—離散增量函。
+若t= nT，則有：δ(t-nT)=1， 且t≠nT時(shí)，δ(t-nT)=0
富氏變換D(f)也是采樣函數(shù)：
D(f)=(1/T) ∑δ(f-kF)
式中：F=1/T
δ(t-nT)項(xiàng)用于定義離散序列S[n]，寫(xiě)成離散脈沖函數(shù)加權(quán)和的形式：
S[n]= ∑s(t)δ(t-nT)
式中S[n]表示取樣信號(hào)，這里用方括號(hào)取代用于表示連續(xù)函數(shù)的圓括號(hào)。
使用卷積定理，可把富氏變換寫(xiě)成s(t)和δ(t-nT)的富氏變換的卷積：
S[k]=S(f)＊D(f)= (1/T)∑δ(f-kF)
離散富氏變換S[k]是S(f)的間歇復(fù)制，復(fù)制的頻率間距為F=1/T?？砂磧煞N特殊情況：F>2 fM 時(shí)，相鄰頻譜無(wú)重疊；F<2 fM 時(shí)，相鄰頻譜有重疊，這一現(xiàn)象就是所謂的同名現(xiàn)象。取樣頻率極限FN=2 fM ，超過(guò)此頻率時(shí)便不再有重疊，該頻率就是內(nèi)奎斯特（Nyquist）頻率。若滿(mǎn)足條件：FN>2 fM，原始信號(hào)的恢復(fù)將可以實(shí)現(xiàn)，只需將取樣信號(hào)波形通過(guò)矩形低通濾波器即可。若取樣頻率低于此值，原始連續(xù)信號(hào)便不可能根據(jù)它的取樣信號(hào)波形得到不失真的恢復(fù)。
4．1．2 A/D轉(zhuǎn)換
按轉(zhuǎn)換器的工作原理不同，A/D轉(zhuǎn)換器通?？煞譃榉e分型和比較型。積分型A/D轉(zhuǎn)換器先將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為中間量，然后再將此中間量變換成相應(yīng)的數(shù)字量。這種類(lèi)型的A/D器件的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度高，但速率較低。高速A/D轉(zhuǎn)換器一般采用比較型。下面介紹幾種適用于高速變換的A/D轉(zhuǎn)換器。
（1）閃爍式A/D轉(zhuǎn)換器：將采樣的模擬信號(hào)直接與各個(gè)不同的參考電壓比較，從而得出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)大小。這種方式只需一個(gè)A/D內(nèi)部周期即可得到數(shù)字結(jié)果，速度相當(dāng)快，但分辨率不高。它需要2N（N為A/D的位數(shù)）個(gè)內(nèi)部比較器，電路非常復(fù)雜。
（2）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器：其原理是利用比較器不斷地對(duì)采樣模擬信號(hào)與D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓進(jìn)行比較，直到兩者之差小于1LSB為止。這種方式需要N個(gè)內(nèi)部周期來(lái)完成一次轉(zhuǎn)換,但只需一個(gè)比較器,比較容易提高分辨率,電路較簡(jiǎn)單。
（3） ΣΔ A/D轉(zhuǎn)換器：其原理是將模擬信號(hào)先進(jìn)行ΣΔ調(diào)制，再通過(guò)高性能的數(shù)字濾波，就能得到高分辨率的數(shù)字信號(hào)。這種方式能獲得較大的信噪比，它實(shí)際上利用了下面要介紹的過(guò)采樣技術(shù)。
為了滿(mǎn)足軟件無(wú)線電對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的需求，進(jìn)一步提高采集的性能，在上述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了一些改進(jìn)的采集技術(shù)，現(xiàn)分別介紹如下：
（1）正交采樣技術(shù)：將要進(jìn)行數(shù)字化的信號(hào)分成兩個(gè)分量，其中一個(gè)乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上；另一個(gè)乘以900相移的正弦波，下變頻到零中心頻率上。每一分量只以原信號(hào)的二分之一帶寬出現(xiàn)，以原信號(hào)的二分之一采樣速率進(jìn)行取樣。
（2）帶通信號(hào)采樣技術(shù)：如果前一模塊送出的是帶通模擬信號(hào)，可以以低于抽樣定理中的Nyquist采樣率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。只要采樣率fs不低于兩倍的信號(hào)帶寬（fh-fl），就不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻譜的重疊，同時(shí)，fs還應(yīng)滿(mǎn)足：
2fh/k這里k是滿(mǎn)足如下關(guān)系的整數(shù)2（3）過(guò)采樣技術(shù)：以遠(yuǎn)大于Nyquist采樣率進(jìn)行采樣的方法稱(chēng)之為過(guò)采樣技術(shù)，采用過(guò)采樣技術(shù)會(huì)帶來(lái)兩個(gè)好處。首先，高速采樣可降低對(duì)前級(jí)抗混疊濾波器性能的設(shè)計(jì)要求；其次，過(guò)采樣技術(shù)可提高信噪比。
（4）并行ADC、DAC技術(shù)：軟件無(wú)線電的發(fā)展方向是ADC和DAC盡量靠近射頻端。高頻寬帶信號(hào)的數(shù)字化對(duì)采樣頻率、位數(shù)及動(dòng)態(tài)范圍都提出了較高要求，這時(shí)可采用并行A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。這樣用多個(gè)高速采樣保持和A/D可完成超高速轉(zhuǎn)換。
4． 2高速A/D數(shù)據(jù)采集
4．2．1采樣頻率和緩沖容量的確定
本課題是針對(duì)超聲波工業(yè)檢測(cè)設(shè)備而開(kāi)發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，因此，檢測(cè)對(duì)象基本上為鋼體材料。超聲波在鋼中傳播時(shí)，縱波CL的傳播速度為5900米/秒，橫波CS的傳播速度為3230米/秒，可見(jiàn)，超聲波在鋼中的傳播速度很快。因此，對(duì)于一定厚度的工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波在工件中的傳播時(shí)間很短，尤其對(duì)于薄壁材料檢測(cè)，傳播距離更短。從以下超聲波檢測(cè)的基本方法可以計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間，確定檢測(cè)頻率和緩沖的容量要求。
4．2．2超聲波傳播時(shí)間的計(jì)算
超聲波在鋼中的傳播速度、距離和時(shí)間的關(guān)系公式為：
D=C·T
式中： D表示聲程（距離）
C表示聲速
T表示傳播時(shí)間
如果采用反射法直探頭進(jìn)行檢測(cè)，在其探測(cè)范圍內(nèi)的傳播時(shí)間：
T=2H/C
式中： H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時(shí)間
如果采用反射法斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，則要考慮入射角和幾次聲程的影響。采用一次聲程探傷，在其探測(cè)范圍內(nèi)的傳播時(shí)間：
T=2H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時(shí)間
φ表示探頭入射角
采用二次聲程探傷，在其探測(cè)范圍內(nèi)的傳播時(shí)間：
T=4H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時(shí)間
φ表示探頭入射角
4． 2．3 采樣頻率的確定
從以上的超聲波傳播時(shí)間可以看出，對(duì)于鋼質(zhì)材料的超聲波檢測(cè)，由于超聲波在鋼中傳播時(shí)間很短，因此，一般需采用較高的檢測(cè)頻率。尤其對(duì)于薄壁材料的檢測(cè)，為了得到足夠的分辨率，采用高的檢測(cè)頻率就更為重要。這就要求有足夠的采樣頻率才能滿(mǎn)足信號(hào)采集的要求。
如對(duì)于1mm厚的材料進(jìn)行檢測(cè)，由于超聲波在其中的傳播時(shí)間僅為0.339μs，要達(dá)到10%（0.1mm）的檢測(cè)精度，必須要能分辨0.0339μs的信號(hào)周期，不至于信號(hào)重疊而無(wú)法分辨。這就要求檢測(cè)頻率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的檢測(cè)頻率fM。因此，對(duì)于采樣頻率FN至少滿(mǎn)足內(nèi)奎斯特（Nyquist）頻率，即滿(mǎn)足條件：FN>2 fM ，也就是采樣頻率至少達(dá)到60MHZ以上。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)檢測(cè)頻率上限40MHZ，采樣頻率必須在80MHZ以上。
為了提高信噪比和檢測(cè)精度，我們選擇了大于Nyquist采樣率的過(guò)采樣技術(shù)。確定了整個(gè)系統(tǒng)的采樣速率必須達(dá)到100MHZ以上。
當(dāng)然，整個(gè)系統(tǒng)為了滿(mǎn)足不同檢測(cè)要求的需要，采樣速率是可以調(diào)整的，在檢測(cè)頻率不是很高時(shí)，可以降低采樣速率，以減小緩沖容量的要求。
4．2．4 緩存器容量的確定
由于整個(gè)系統(tǒng)的采樣速率較高，要對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，就需要使用高速緩存器，緩存器的容量應(yīng)該把探測(cè)范圍內(nèi)的時(shí)域信號(hào)得以保存。我們選用了64K容量的緩存器。
在200MHZ采樣速率的情況下，64K緩存器可存儲(chǔ)的時(shí)域信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度為：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
這種采樣頻率一般用于檢測(cè)頻率較高的檢測(cè)信號(hào)的采集，用高檢測(cè)頻率檢測(cè)薄壁材料時(shí)，往往采用縱波入射和45度斜探頭一次聲程的橫波入射方式，在同樣厚度的工件中橫波入射方式檢測(cè)的時(shí)域信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此該容量的緩存器可適應(yīng)的最大厚度的工件厚度為：
H=(320μs·3230m/s·cos45)/2=365mm
對(duì)于薄壁材料遠(yuǎn)小于該厚度值，因此所設(shè)計(jì)的緩存器容量是足夠的。
而對(duì)于壁厚較厚的工件，一般采用1--5MHZ的檢測(cè)頻率，采用30MHZ的采樣頻率足以滿(mǎn)足信號(hào)數(shù)據(jù)采樣的要求，這時(shí)64K緩存器可存儲(chǔ)的時(shí)域信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度為：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即使使用70度斜探頭二次聲程的橫波入射方式，該容量的緩存器可適應(yīng)的最大工件厚度為：
H=(2133μs·3230m/s·cos70)/4=589mm
它也能適應(yīng)壓力容器等工業(yè)檢測(cè)的需要，比較重要的核電站反應(yīng)堆壓力容器的壁厚只有在250 mm左右。
4．3 A/D采集卡的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)
為了滿(mǎn)足對(duì)超聲波寬頻帶高速率的信號(hào)進(jìn)行采集的要求，設(shè)計(jì)了一種基于并行直接轉(zhuǎn)換原理的flash A/D轉(zhuǎn)換器的高速8位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡。
該采集卡的主要性能指標(biāo)是：
（1） 最大采樣率為200MHz；
（2） 數(shù)據(jù)分辨率為8位；
（3） 數(shù)據(jù)緩存容量為64k*16位；
（4） 模擬輸入帶寬>70MHZ；
（5） 輸入路數(shù)：4路
（6） 轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式：可編程為定時(shí)觸發(fā)、指令觸發(fā)、外源觸發(fā)
（7） 數(shù)據(jù)傳輸速率：25MBytes/S
采集卡設(shè)計(jì)成計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽的插板形式，不需外接電源，其各種狀態(tài)可通過(guò)主機(jī)進(jìn)行編程控制，便于用戶(hù)使用。
4．4 高速數(shù)據(jù)緩存器
數(shù)據(jù)的緩存使用了兩片高速FIFO，在將采集得到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入其中一片時(shí)，后續(xù)模塊同時(shí)對(duì)另一片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)FIFO進(jìn)行對(duì)寫(xiě)是在時(shí)序控制模塊的控制下進(jìn)行的，但數(shù)據(jù)的讀出由用戶(hù)自己的后續(xù)模塊自己進(jìn)行，并提供相應(yīng)的控制信號(hào)。FIFO緩存器由于其先進(jìn)先出的特性，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)都無(wú)需提供地址信號(hào)，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。該FIFO的最高運(yùn)行速率是100MHz，這完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。
5． 超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸和記錄
5．1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
由于本系統(tǒng)采集速率較高，因此對(duì)于傳輸?shù)乃俾室笙鄬?duì)也比較高。由于ISA總線制定的時(shí)間較早，不可避免地帶有一些局限性，例如數(shù)據(jù)寬度僅為16位、總線同步時(shí)鐘也只有8MHZ等。而目前CPU的數(shù)據(jù)寬度和工作頻率都有了很大的提高，同時(shí)面向圖形的操作系統(tǒng)的引入，使標(biāo)準(zhǔn)的PC I/O結(jié)構(gòu)中的處理器和它的顯示外設(shè)之間產(chǎn)生了數(shù)據(jù)瓶頸，ISA總線已經(jīng)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。但如果將外設(shè)的功能在與系統(tǒng)處理器總線同樣寬的高寬帶總線上實(shí)現(xiàn)，這個(gè)瓶頸就可以消除，因此引入了高寬帶總線，通常稱(chēng)為“局部總線”。在多種局部總線中，VESA總線和PCI總線是比較具有代表性的兩種。
在本項(xiàng)課題數(shù)字式超聲波成像系統(tǒng)中應(yīng)用PCI總線作高速數(shù)據(jù)采集和傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的硬件由兩個(gè)部分組成：主處理機(jī)（PC）和信號(hào)發(fā)射/接收前端組成：
灰色部分的接口卡就是本課題要研究的對(duì)象：PCI總線接口卡。它起的作用是發(fā)射/接收前端與主處理機(jī)之間的橋梁。在發(fā)射/接收前端，高速采樣后的接收信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)由連接電纜送到接口卡，再由接口卡通過(guò)PCI總線傳送到主處理機(jī)內(nèi)存中指定的數(shù)據(jù)接收區(qū)。
5． 2 PCI總線的特點(diǎn)
PCI總線即外設(shè)部件互連，是一種新型的、同步的、高寬帶的、獨(dú)立于處理器的總線。其所以能在各類(lèi)總線中脫穎而出，是因?yàn)槠渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：
⑴傳輸速度快。最高工作頻率33MHZ，峰值吞吐率在32位時(shí)為132MB/S，64位時(shí)為264MB/S。
⑵支持無(wú)限猝發(fā)讀寫(xiě)方式。讀寫(xiě)時(shí)后面可跟無(wú)數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)周期，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)猝發(fā)傳輸能力。
⑶支持并行工作方式。PCI控制器具有多級(jí)緩沖，利用它可使PCI總線上外設(shè)與CPU并行工作。例如CPU輸出數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)快速送到緩沖器中，當(dāng)這些數(shù)據(jù)不斷送往設(shè)備時(shí)，CPU就可轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他工作了。
⑷獨(dú)立于處理器。PCI在CPU和外設(shè)間插入一個(gè)復(fù)雜的管理層用以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，通常稱(chēng)之為橋。橋的主要功能是在兩種不同的信號(hào)環(huán)境之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并向系統(tǒng)中所有的主控制器提供一致的總線接口。因此PCI總線可支持多種系列的處理器，并為處理器升級(jí)創(chuàng)造了條件。
⑸提供4種規(guī)格，可定義32位/64位以及5V/3.3V電壓信號(hào)。3.3V電壓信號(hào)環(huán)境的定義為PCI總線進(jìn)入便攜機(jī)領(lǐng)域提供了便利。
⑹數(shù)據(jù)線和地址線采用了多路復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了針腳數(shù)。一般而言，32位字長(zhǎng)、僅作目標(biāo)設(shè)備的接口只需47條引腳，作為總線控制者的設(shè)備接口再加2條引腳，并可有選擇地增加信號(hào)線以擴(kuò)展功能，如64位字長(zhǎng)的接口卡需加39條引腳，資源鎖定加1條引腳，等等。
⑺支持即插即用功能，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置。在PCI器件上包含有寄存器，上面帶有配置所需的器件信息，使外設(shè)適配器在和系統(tǒng)連接時(shí)能自動(dòng)進(jìn)行配置，無(wú)須人工干預(yù)。
5．3 硬件結(jié)構(gòu)
這里對(duì)接口卡的硬件結(jié)構(gòu)作一簡(jiǎn)要描述：
從連接電纜輸入的16位寬的數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)緩沖后暫存在FIFO中，然后被PCI總線接口芯片讀出并通過(guò)PCI總線送到主處理機(jī)內(nèi)存中指定的數(shù)據(jù)接收區(qū)。
5．3．1 PCI總線接口芯片結(jié)構(gòu)
PCI總線接口芯片是用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其上除了完成與PCI總線接口所必須的PCI總線配置寄存器之外，還具有一些用戶(hù)可編程的控制寄存器。用戶(hù)通過(guò)對(duì)這些控制寄存器編程，就可使PCI總線接口芯片自動(dòng)向系統(tǒng)申請(qǐng)占用總線，從FIFO中讀出數(shù)據(jù)并傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中指定的數(shù)據(jù)接收區(qū)中。
芯片內(nèi)部由兩個(gè)模塊組成：PCI接口模塊和FIFO接口模塊。PCI接口模塊負(fù)責(zé)與PCI總線端相接的邏輯。FIFO接口模塊負(fù)責(zé)與FIFO端相接的邏輯。
5．3．2 PCI接口模塊
PCI接口模塊除了實(shí)現(xiàn)PCI總線配置寄存器以外，還起到FIFO接口模塊與PCI總線之間的轉(zhuǎn)接作用。一方面，來(lái)自PCI總線上的對(duì)FIFO接口模塊中控制寄存器的讀寫(xiě)要經(jīng)PCI接口模塊才能轉(zhuǎn)換為可以被FIFO接口模塊接收的讀寫(xiě)信號(hào)；另一方面，F(xiàn)IFO接口模塊從FIFO中讀取的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)PCI接口模塊才能轉(zhuǎn)換為PCI總線上的相應(yīng)信號(hào)被系統(tǒng)接收。。
5．3．3 FIFO接口模塊
FIFO接口模塊的功能是控制從FIFO讀出數(shù)據(jù)，然后通過(guò)PCI接口模塊向總線發(fā)出申請(qǐng)，得到許可后開(kāi)始向系統(tǒng)內(nèi)存指定的數(shù)據(jù)接收區(qū)傳送數(shù)據(jù)。FIFO接口模塊中還實(shí)現(xiàn)了可編程的控制寄存器，可使軟件對(duì)數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行控制。
5．4 軟件接口
本接口卡的軟件接口包括兩個(gè)部分：與PCI系統(tǒng)相關(guān)的軟件接口及與用戶(hù)應(yīng)用相關(guān)的軟件接口。與PCI系統(tǒng)相關(guān)的軟件接口是PCI總線配置寄存器，包括本接口卡的生產(chǎn)廠商所指定的設(shè)備標(biāo)志號(hào)、修訂版本號(hào)以及PCI SIG所分配的廠商標(biāo)志號(hào)寄存器，還有狀態(tài)寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。與用戶(hù)應(yīng)用相關(guān)的軟件接口是與本接口卡實(shí)現(xiàn)的特定功能相關(guān)的寄存器，包括兩組與數(shù)據(jù)傳送有關(guān)的起始地址寄存器和結(jié)束地址寄存器，還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。
對(duì)與用戶(hù)應(yīng)用相關(guān)的寄存器的操作都應(yīng)以32位的方式進(jìn)行。若以8位或16位的方式操作，將產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果。
在內(nèi)存以字節(jié)（8位）為單位進(jìn)行尋址的情況下，在進(jìn)行16位或32位的操作時(shí)認(rèn)為字節(jié)排列順序如下：高位字節(jié)在地址較大的字節(jié)上，低位字節(jié)在地址較小的字節(jié)上，
在各個(gè)寄存器中，有些寄存器是只讀的，有些寄存器是可讀可寫(xiě)的，還有一些寄存器是可讀可清除的。以上這些屬性在以后對(duì)每個(gè)寄存器的說(shuō)明中將分別以只讀、讀/寫(xiě)、讀/清的字樣標(biāo)出。
對(duì)于只讀和可讀可寫(xiě)屬性應(yīng)該是見(jiàn)詞明義，這里就不多作說(shuō)明。對(duì)于可讀可清除屬性，在這里有必要說(shuō)明一下。對(duì)可讀可清除的寄存器作讀操作時(shí)，與一般的讀操作無(wú)異。在寫(xiě)操作時(shí)，那些寫(xiě)入1的位會(huì)被清0，那些寫(xiě)入0的位則不受影響。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)某個(gè)具有可讀可清除屬性的字節(jié)內(nèi)容為01010101時(shí)，若對(duì)該字節(jié)讀，則讀出的內(nèi)容為01010101。若對(duì)該字節(jié)寫(xiě)入00001111時(shí)，該字節(jié)的低4位被清0，內(nèi)容改變?yōu)?1010000。
6. 結(jié)論
1．從調(diào)試結(jié)果和研制結(jié)果來(lái)看，超聲波信號(hào)采集、分析和成像處理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案是正確的，整套系統(tǒng)可以滿(mǎn)足頻率范圍從1MHZ到40MHZ超聲波檢測(cè)采集和分析的需要，同時(shí)可以調(diào)整采樣速率，適應(yīng)不同檢測(cè)頻率的記錄要求。
2．該課題采用全數(shù)字式超聲波信號(hào)顯示和處理方式，可以為超聲波檢測(cè)的分析提供必要的數(shù)據(jù)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確和直觀?？梢愿鼮榫_地對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。同時(shí)，為超聲波檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了良好的開(kāi)發(fā)手段。對(duì)提高我國(guó)的超聲波檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)水平具有積極意義。
3．該課題中采用的PCI實(shí)時(shí)技術(shù)解決了高速大容量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，為其他有關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供了方案。
4．課題中應(yīng)用的關(guān)鍵硬件FPGA和PLD器件可以較強(qiáng)地適用于科研開(kāi)發(fā)和調(diào)試，同時(shí)具有一定的保密性，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)提供了方案。并且，可以大大縮小硬件的體積。
5．課題中采用的譜估計(jì)方法進(jìn)行信號(hào)處理，可以從噪聲中提取回波信息，可以降低硬件的開(kāi)發(fā)難度。
整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功對(duì)于提高我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)水平，跟上世界先進(jìn)的現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)技術(shù)步伐，使我國(guó)超聲波檢測(cè)水平上一個(gè)臺(tái)階具有重要的意義。