摘 要:超聲檢測(cè)作為一種重要的無(wú)損檢測(cè)方法，能在不損壞工件的情況下對(duì)被測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)，由于其具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，在材料和產(chǎn)品的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用?；趪?guó)內(nèi)的數(shù)字探傷儀普遍存在數(shù)據(jù)采集頻率較低、信號(hào)處理能力差、數(shù)據(jù)管理功能不完善等弊端，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套更為高效準(zhǔn)確的基于PC機(jī)的數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)傳輸做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析。對(duì)A型脈沖反射式超聲成像做了重點(diǎn)研究，在系統(tǒng)中使用FPGA及USB接口芯片以提高回波信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸速度。同時(shí)，此次設(shè)計(jì)中采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了FPGA程序，使系統(tǒng)的性能得到很大的提升。實(shí)踐表明整套設(shè)計(jì)方案正確可行，并能滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞:超聲檢測(cè);信號(hào)處理;超聲探傷系統(tǒng);FPGA

中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-138-04

PC-based Ultrasonic Flaw Detector of Locomotive Axle

MA Chen

(School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu，610064，China)

Abstract:The device at home has disadvantages such as low sampling rate of data acquisition and incompetence in signal processing.A rail welding line flaw detection system designed for high quality and accuracy is introduced.The basic principles of Ultrasonic Flaw Detection(UFD) is proposed.Interface chip and Field Programmable Gate Array(FPGA) are used to facilitate echo signal processing speed and signal transfer speed.In this design，F(xiàn)PGA program is written with Very High Speed Integrated Circuit Description Language(VHDL) language which improves the performance of the system.Practice proves that the design is correct and feasible，and the design can satisfy the need.

Keywords:ultrasonic inspection;signal processing;rail welding line flaw detection system;FPGA

0 引 言

經(jīng)過六次大規(guī)模提速，我國(guó)鐵路線時(shí)速已經(jīng)跨上了200 km/h的重要臺(tái)階，并且城際鐵路也在加緊建設(shè)，京津城際鐵路業(yè)已完成時(shí)速350 km試跑。為此，在加緊建設(shè)線路基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)，還必須裝備滿足高速列車安全可靠的、高質(zhì)量的機(jī)車車輛，而車軸是保證機(jī)車車輛穩(wěn)定運(yùn)行的重要部件，一旦產(chǎn)生損傷并擴(kuò)大發(fā)展將會(huì)折損而導(dǎo)致脫軌事故。而目前，超聲檢測(cè)中手工操作仍占主流，檢測(cè)結(jié)果將取決于操作人員的個(gè)人技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，包含的主觀因素較多。因此在超聲探傷中實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)記錄，并提供缺陷參數(shù)和圖形信息，實(shí)現(xiàn)探傷自動(dòng)化并提高探傷精度已成為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)心和研究的課題之一。普遍來說，國(guó)內(nèi)的探傷儀數(shù)據(jù)采集頻率較低、信號(hào)處理能力差，為了克服現(xiàn)有探傷儀器的不足，在可行性分析及實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套基于便攜式PC的機(jī)車車軸探傷系統(tǒng)。

1 超聲檢測(cè)技術(shù)及探傷儀結(jié)構(gòu)

1.1 A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀

A型顯示主要利用超聲波的反射特性，以熒光屏上的水平亮線為掃描線(時(shí)間基準(zhǔn))，代表反射波的傳播時(shí)間，其長(zhǎng)度與時(shí)間成正比;以縱坐標(biāo)代表反射波的幅度。由發(fā)射波、缺陷波以及底波在掃描線上的位置，可求出缺陷的位置;由缺陷的幅度，可判斷缺陷大小;由缺陷的形狀，可分析缺陷的性質(zhì)，它的缺點(diǎn)是難以判斷缺陷的幾何形狀和缺乏直觀性。

1.2 探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PC機(jī)的機(jī)車輪軸超聲探傷儀采用了一體化結(jié)構(gòu)，探傷電路板和工控PC機(jī)放在一個(gè)機(jī)箱中，將探傷功能電路與計(jì)算機(jī)融為一體，形成了擁有液晶顯示、超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理、支持USB通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊，支持海量存儲(chǔ)和本機(jī)刻錄等一系列特點(diǎn)的全數(shù)字化探傷儀。這樣一體化的設(shè)計(jì)思想縮小了儀器體積，提高了穩(wěn)定性，方便了實(shí)際探傷操作。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于PC機(jī)的焊縫超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖1中可以看出本系統(tǒng)包括超聲探頭，由模擬的回波預(yù)處理模塊和數(shù)字的回波數(shù)字處理模塊組成的探傷電路板，PC機(jī)，打印機(jī)，遠(yuǎn)程網(wǎng)等幾大部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1) 數(shù)據(jù)處理板采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理，使得硬件可描述、可編程，采用60 MHz時(shí)鐘，設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和數(shù)據(jù)處理能力及速度大大提高;

(2) 采用了USB控制器，提高了探傷儀的數(shù)據(jù)傳輸和軟件升級(jí)能力，為探傷儀的便攜式發(fā)展提供了前景;

(3) 升級(jí)后的系統(tǒng)在用戶的建議下采用了雙界面的方式，即一臺(tái)PC機(jī)外接兩塊探傷電路板，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙人同時(shí)探傷;

(4) 利用PC機(jī)的強(qiáng)大處理能力實(shí)現(xiàn)探傷工藝流程控制，報(bào)表及數(shù)據(jù)管理等，同時(shí)還有新穎的探傷波形回放功能;

(5) 具有新穎的波形回放功能，方便離線查看探傷波形;

(6) 通過網(wǎng)絡(luò)連接可以與其他終端聯(lián)機(jī)或與管理主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。

系統(tǒng)核心部分探傷電路板的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于PC機(jī)的機(jī)車輪軸超聲探傷系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

基于PC機(jī)的機(jī)車輪軸超聲探傷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)在圖2中可以很清楚地看到，電路板部分由前端模擬電路和后端數(shù)字電路兩部分組成，其中前端板主要完成超聲觸發(fā)信號(hào)發(fā)射和回波信號(hào)接收及前期處理等功能，后端電路主要完成對(duì)探傷回波信號(hào)的數(shù)字化處理。隨著高速集成芯片的發(fā)展及新的數(shù)字信號(hào)處理方法的出現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)越來越多地應(yīng)用于超聲檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)有噪聲情況下有效信號(hào)的提取、缺陷的定性、定量分析以及檢測(cè)超聲信號(hào)優(yōu)化。前端電路包括通道切換電路、增益調(diào)整單元、檢波濾波單元及D/A轉(zhuǎn)換單元等幾大部分，后端電路由A/D轉(zhuǎn)換單元、FPGA芯片、USB芯片等幾大部分組成。該系統(tǒng)通過前端的發(fā)射部分向探頭發(fā)出觸發(fā)脈沖并接收探頭探測(cè)到的回波信號(hào);通過后端的USB芯片實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通訊，將經(jīng)由FPGA處理過的探傷數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)中完成波形顯示等后期處理工作，同時(shí)還可以將主機(jī)傳過來的控制信號(hào)傳到探傷電路板中控制系統(tǒng)的工作方式及工作參數(shù)。

2 FPGA數(shù)字信號(hào)功能實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，前端電路對(duì)回波信號(hào)做處理后，先進(jìn)入后端A/D數(shù)字化，然后由FPGA邏輯芯片進(jìn)行一系列數(shù)字化處理，處理后的信號(hào)即可通過USB芯片傳輸?shù)絇C機(jī)中。后端電路中FPGA的功能實(shí)現(xiàn)大體可分為三部分:

(1)對(duì)前端回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到探傷波形，主要分為濾波、檢波和FPGA中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三部分;

(2)接收上位機(jī)傳送過來的控制信號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)FPGA與USB雙向傳輸功能;

(3)實(shí)現(xiàn)對(duì)前端電路的部分控制功能，主要包括D/A控制、探頭控制、發(fā)射脈沖控制等。

圖3是FPGA程序結(jié)構(gòu)框圖，由此圖也能清晰地看出FPGA中所要實(shí)現(xiàn)的功能。

圖3 FPGA程序結(jié)構(gòu)框圖

2.1 回波信號(hào)處理過程說明

前端傳送過來的模擬回波信號(hào)經(jīng)過A/D采樣后轉(zhuǎn)化為數(shù)字回波信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理過程要實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的濾波、檢波功能，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA中，根據(jù)時(shí)序要求送到FPGA端口，等待上位機(jī)的調(diào)用以實(shí)現(xiàn)探傷波形圖。本系統(tǒng)回波信號(hào)數(shù)字處理過程按濾波、檢波、存儲(chǔ)順序來實(shí)現(xiàn)。

(1) 濾波

本系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，考慮到資源消耗和濾波的效果等問題，最終采用32階的FIR帶通濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能，設(shè)計(jì)過程如下:

首先，確定所需要的濾波器的技術(shù)指標(biāo)。本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)帶通濾波，采樣頻率60 MHz，中心頻率為25 MHz，盡量減少吉布斯效應(yīng)，并有效控制過渡帶寬度。其次，選擇設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。考慮到硬件資源消耗和濾波實(shí)現(xiàn)效果等問題，設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)了一個(gè)32階的FIR帶通濾波器。由于FIR濾波器系數(shù)前后對(duì)稱，因此只需求出前16個(gè)系數(shù)即可。

(2) 檢波前的信號(hào)處理

首先，由于探傷回波信號(hào)實(shí)際上是正負(fù)交替變化的交流信號(hào)，對(duì)于本系統(tǒng)AD9051送出的為一個(gè)10位的數(shù)據(jù)(0~1 023)，該芯片將0 V轉(zhuǎn)換為512，正電壓轉(zhuǎn)換為大于512的數(shù)，負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為小于512的數(shù)。而實(shí)際探傷波形顯示時(shí)要求數(shù)據(jù)全為正，這就需要進(jìn)行一級(jí)轉(zhuǎn)化，需要對(duì)探傷數(shù)據(jù)與512取絕對(duì)值，這樣就得到了全為正的回波數(shù)據(jù)且其大小與探頭接收到的回波電壓大小對(duì)應(yīng)。其次，由于要送出探傷數(shù)據(jù)為8位，而A/D采樣和濾波后的數(shù)據(jù)都為10位，所以還需進(jìn)行一步轉(zhuǎn)化，即把大于255的數(shù)據(jù)全部用255實(shí)現(xiàn)，小于255的數(shù)不變。

(3) 檢波

本設(shè)計(jì)采用峰值檢波法，即分段取最大值方法。本方法就是在將采樣得到的探傷數(shù)據(jù)分成等長(zhǎng)的段，在每段的數(shù)據(jù)中取出最大值作為該段的代表數(shù)據(jù)，再將各段的代表數(shù)據(jù)作為探傷回波數(shù)據(jù)送入主機(jī)中進(jìn)行探傷波形顯示等后期處理。這樣就近似得到了反射回波的包絡(luò)線。

本方法的核心思想是增加采樣頻率，提高采樣密度以減小采樣誤差。其具體方法是:將出現(xiàn)缺陷波包絡(luò)線的部分進(jìn)行密集采樣，然后再取其最大值。這樣在效果上看如同把缺陷區(qū)進(jìn)行放大，然后再將這一放大的區(qū)間細(xì)分為若干段，然后再進(jìn)行處理，取其每一段的最大值。其中缺陷的大小可以從縱軸上讀出(即取其幅值)，其位置可用回聲定位的方法予以確定。得到缺陷的大小和位置之后，再依據(jù)一定的規(guī)則計(jì)算出缺陷的當(dāng)量。因采樣不可能在信號(hào)最高點(diǎn)，峰值數(shù)據(jù)與實(shí)際峰值間存在誤差δ。當(dāng)δ越小時(shí)，要求采樣頻率越高。因此，在本方法中采取提高采樣密度(即在一個(gè)區(qū)域內(nèi)提高采樣頻率)的方法來減小誤差。

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及提取

檢波完成后的探傷數(shù)據(jù)需要先存在FPGA的RAM中，再通過統(tǒng)一的時(shí)序取出。本部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完全通過調(diào)用IP核來處理，調(diào)用 Dual Port Block Memory 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并可通過統(tǒng)一時(shí)序一一送出，用于與USB的傳輸。

2.2 FPGA與USB傳輸

FPGA處理后的回波信號(hào)數(shù)據(jù)需要傳遞到USB，并經(jīng)USB傳遞給上位機(jī)用于波形顯示;同時(shí)上位機(jī)的控制信號(hào)也要傳遞給FPGA，并且一部分控制信號(hào)要經(jīng)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)前端電路的控制。本部分主要實(shí)現(xiàn)FPGA與USB的雙向傳輸，它在系統(tǒng)中起到使探傷數(shù)據(jù)和主機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)可以在數(shù)據(jù)總線上雙向傳輸?shù)墓δ?。其中上位機(jī)穿過來的控制數(shù)據(jù)包括通道選擇參數(shù)、采樣長(zhǎng)度、D/A控制信號(hào)等。當(dāng)rd=0時(shí)，F(xiàn)PGA端口數(shù)據(jù)data_i(最大值)、pos(位置)傳到總線data;當(dāng)wr=0時(shí)，總線數(shù)據(jù)data傳送到FPGA接收端data。仿真結(jié)果表明雙向傳輸功能可以實(shí)現(xiàn)。

2.3 FPGA對(duì)前端電路控制

FPGA對(duì)前端電路的控制主要實(shí)現(xiàn)發(fā)射脈沖的觸發(fā)，以及通過D/A輸出增益調(diào)節(jié)參數(shù)(主機(jī)控制的探傷參數(shù))實(shí)現(xiàn)對(duì)探傷增益的控制。

(1)實(shí)現(xiàn)發(fā)射脈沖的觸發(fā)，它實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)超聲探頭發(fā)射超聲信號(hào)。

本設(shè)計(jì)采用的是電容電感充放電的方式，由兩個(gè)一寬一窄的脈沖控制電路的充放電。兩個(gè)脈沖信號(hào)是由FPGA產(chǎn)生，寬脈沖為充電控制脈沖，用于對(duì)電容電感的充電，窄脈沖為放電控制脈沖，其控制電容電感的放電，當(dāng)寬脈沖結(jié)束時(shí)緊接著為窄脈沖，即充完電之后馬上放電。通過調(diào)節(jié)充放電時(shí)間可以改變發(fā)射高壓脈沖的的大小，一般選擇寬脈沖幾十微秒，窄脈沖幾微秒。FPGA生成了一組脈沖信號(hào)，寬脈沖為31 μs，窄脈沖為1 μs，滿足觸發(fā)脈沖要求，可觸發(fā)超聲發(fā)射。

(2) 輸出增益調(diào)節(jié)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)通過D/A對(duì)探傷增益的控制。

輸出的DA_WR，DA_LDAC，DA_GAIN，DA_PD，DA_CLR，DA(9:0)，A(1:0)分別為D/A的輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A的控制，其中DataIn_st2實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)控制信號(hào)功能。由原理圖4看出，控制信號(hào)包括通道選擇(CH(7:0))，DA增益控制DA(7:0)、分段提取最大值的分段長(zhǎng)度(Lendth(7:0))和脈沖發(fā)射延時(shí)時(shí)間(Sec_start(15:0))。 DA_change模塊將上位機(jī)傳送過來的增益控制信號(hào)(DA(7:0))經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為適合D/A輸入的信號(hào)。

圖4 編程實(shí)現(xiàn)D/A控制原理圖

3 車軸探傷系統(tǒng)的USB通訊

主機(jī)應(yīng)用程序主要是接收數(shù)字處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示等處理，并通過設(shè)置探傷參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)探傷過程的控制。待整個(gè)系統(tǒng)上電后，主機(jī)就把已設(shè)定好的探傷的參數(shù)送給USB，之后的過程由USB控制，與主機(jī)無(wú)關(guān)。主機(jī)所要做的就是準(zhǔn)備接收USB傳送過來的回波數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在主機(jī)上得到顯示。在探傷過程中主機(jī)可以根據(jù)需要，隨時(shí)改變參數(shù)。在實(shí)際探傷過程中，探傷工人如果需要對(duì)某一段工件做重點(diǎn)檢測(cè)，這時(shí)候就可以通過改變最大值比較的起始位置確定探傷部位，通過改變最大值比較的段長(zhǎng)度提高其精度。

為方便主機(jī)和USB接口芯片的通信，設(shè)計(jì)了USB客戶端驅(qū)動(dòng)程序，USB客戶端驅(qū)動(dòng)程序完成了和USB通用驅(qū)動(dòng)程序之間的通信。使得主機(jī)端應(yīng)用程序的編寫不需了解USB協(xié)議，直接調(diào)用USB客戶端驅(qū)動(dòng)程序即可。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理、方法和車軸超聲探傷的背景。分析設(shè)計(jì)了一套基于PC機(jī)的數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)據(jù)傳輸做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析。在數(shù)據(jù)處理過程中采用了FPGA可編程邏輯器件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，既能加快信號(hào)處理速度、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性又方便了開發(fā)，采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的FPGA子模塊程序也達(dá)到了提高系統(tǒng)性能的目的。USB 2.0接口芯片的采用大大提高了PC機(jī)與外圍設(shè)備的通信速度，USB芯片GPIF模式驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)使系統(tǒng)傳輸速度得到了進(jìn)一步的提高。同時(shí)對(duì)缺陷回波信號(hào)的檢波濾波等預(yù)處理能很好地保證缺陷信號(hào)的正確提取。對(duì)電路板分析調(diào)試中提出了一些改進(jìn)意見，達(dá)到了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，降低成本的目的。調(diào)試表明本次設(shè)計(jì)所做的一些工作和提出的改進(jìn)意見是有意義的，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能起到了一些作用。目前系統(tǒng)已能正常工作，基本滿足探傷工作的要求。

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