焊縫檢測(cè)系統(tǒng)中PCI總線高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)
焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)是一種重要的無(wú)損探傷設(shè)備,可用于檢測(cè)平板、管道、容器等的縱、橫焊縫以及接管角焊縫缺陷。與手工檢測(cè)方法相比,該系統(tǒng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、漏檢率低、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。
在焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)中,缺陷回波信號(hào)通常為寬度約10ns~100ns、幅值在幾十μV到幾十mV之間的窄脈沖。為滿足缺陷回波信號(hào)的檢測(cè)要求,研制了一種基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡,它是面向超聲檢測(cè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的:該卡采用轉(zhuǎn)換速率為60MHz的八位高速A/D以滿足數(shù)據(jù)采集的要求;為緩存A/D芯片輸出的高速數(shù)據(jù)并充分利用PCI總線帶寬,加入32KB的高速FIFO緩存組;同時(shí),為滿足多通道探傷的要求,設(shè)計(jì)了通道選擇電路以實(shí)現(xiàn)通道之間的切換;此外,為調(diào)理缺陷回波信號(hào),卡上還配有高增益高帶寬放大電路。
1 高速數(shù)據(jù)采集卡的工作原理
焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是:首先由高壓脈沖發(fā)生電路發(fā)射高壓脈沖;高壓脈沖經(jīng)換能器形成超聲波信號(hào),遇到缺陷或雜質(zhì)時(shí)產(chǎn)生反射波,經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后,形成數(shù)字量,寫入高速FIFO存儲(chǔ)器中。最后,由PCI接口芯片將FIFO中的數(shù)據(jù)適時(shí)地寫入內(nèi)存。
2 數(shù)據(jù)采集電路的硬件設(shè)計(jì)
2.1 高增益高帶寬放大電路
采用帶觸發(fā)的直流逆變電路產(chǎn)生高壓脈沖,采用多路模擬通道選擇電路實(shí)現(xiàn)通道切換以滿足多通道探傷要求。模擬信號(hào)經(jīng)五級(jí)放大、濾波后,作為A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入。放大電路采用最高增益為80dB、帶寬為15MHz且分辨率為1dB的放大器,并且采用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)放大增益的動(dòng)態(tài)調(diào)整。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換電路采用美國(guó)BB公司的ADS830ADS830。該芯片的信噪比高、功耗低、非線性畸變小,廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)字通信和視頻測(cè)試系統(tǒng)中。ADS830的精度為八位,最高采樣頻率為60MHz,可滿足焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集精度和采樣頻率的要求。它有共模和差模兩種信號(hào)輸入方式,且輸出的數(shù)字量可直接與5V或3.3V芯片接口。
2.3 高速FIFO存儲(chǔ)器
高速緩存是保證高速數(shù)據(jù)不丟失的關(guān)鍵,確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。同時(shí),高速FIFO緩存使A/D芯片不必工作在PCI同步時(shí)鐘下,提高了A/D芯片的利用率。IDT公司的存儲(chǔ)器性能優(yōu)良,且同系列存儲(chǔ)器一般可以做到管腳級(jí)兼容,容易實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)的模塊化。為方便讀寫數(shù)據(jù),選擇先進(jìn)先出式(FIFO)的緩沖存儲(chǔ)器IDT7205L15IDT7205L15。其訪問(wèn)時(shí)間為15ns,每片容量為8K×9位。支持異步讀寫,并提供諸如滿、半滿、空等用于位擴(kuò)展和深度擴(kuò)展的信號(hào)。高速數(shù)據(jù)采集卡為實(shí)現(xiàn)8位A/D和32位PCI總線的寬度匹配,采用了位擴(kuò)展技術(shù)。為加深FIFO的緩沖深度,將外加FIFO緩存與PCI接口芯片內(nèi)部的FIFO相級(jí)連。 2.4 基于CPLD的控制邏輯
基于CPLD的控制邏輯是高速數(shù)據(jù)采集卡的核心,它為PCI接口芯片提供滿足時(shí)序要求的讀寫信號(hào),同時(shí)選擇模擬信號(hào)的輸入通道、控制高壓脈沖發(fā)生邏輯并設(shè)定放大電路的增益。此外,CPLD還能利用高速FIFO緩存的空、滿標(biāo)志位,配合PCI接口芯片實(shí)現(xiàn)DMA寫操作,完成高速數(shù)據(jù)傳輸。Xilinx 公司的XC9572XL-VQ64XC9572XL-VQ64芯片的腳到腳延遲最大為10ns,可滿足PCI總線接口時(shí)序的要求。單片XC9572XL-VQ64能滿足焊縫缺陷自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)邏輯控制的要求,且具有體積小、可靠性高、調(diào)試方便等突出優(yōu)點(diǎn)。
圖2是基于有限狀態(tài)機(jī)FSM(Finite State Machine)方法設(shè)計(jì)的控制邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。其中,RST和IRQ是由PCI接口芯片S5933輸出的可由程序任意控制的兩個(gè)信號(hào),它們的高低狀態(tài)同高速FIFO緩存的空、滿信號(hào)一起決定了控制邏輯的六個(gè)可能的狀態(tài),圖中以橢圓表示。計(jì)算機(jī)上電時(shí),控制邏輯處于RST=IRQ=1的狀態(tài)。值得一提的是,RST和IRQ信號(hào)都有適當(dāng)?shù)纳侠娮?,所以不?huì)出現(xiàn)高阻浮空的狀態(tài),使控制邏輯能夠穩(wěn)定地工作。實(shí)線是控制邏輯采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線,而虛線是可能的但不采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線。在各狀態(tài)之間進(jìn)行切換是很容易的,只需通過(guò)程序使RST或IRQ信號(hào)出現(xiàn)高或低跳變。狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)伴隨著的電路動(dòng)作見轉(zhuǎn)換線旁的注釋。
評(píng)論