汪開燦,康 磊,翟國富,王淑娟

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所,哈爾濱 150001)

電磁超聲換能器是一種非接觸型超聲發(fā)射/接收裝置。它無需使用耦合劑,無需對試件表面進(jìn)行預(yù)處理,能夠方便地產(chǎn)生表面波、體波和導(dǎo)波等多種超聲波型,現(xiàn)已逐步成為國內(nèi)外較為主流的超聲檢測技術(shù)之一[1]。目前,國內(nèi)電磁超聲技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輪對、鋼板、管道和復(fù)合材料等缺陷檢測的應(yīng)用中[2-5]。

電磁超聲技術(shù)使用電磁耦合的方式激發(fā)和接收超聲波,較傳統(tǒng)的壓電超聲相比其信號強(qiáng)度低得多(僅為微伏級)。電磁超聲信號往往會湮沒在復(fù)雜的噪聲背景中,使用傳統(tǒng)的模擬濾波的方法很難得到較高信噪比。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字信號處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用數(shù)字信號處理方法可以方便地對電磁超聲信號進(jìn)行處理,提取缺陷回波信號,判別缺陷有無,識別缺陷特征等。然而,數(shù)字信號處理類型繁多,為驗證算法有效性需進(jìn)行算法的重復(fù)修改,而且需進(jìn)行大量試驗。為此,需要設(shè)計一種電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng),以方便實現(xiàn)電磁超聲發(fā)射/接收的控制、接收回波的采集以及算法的驗證。

筆者設(shè)計了基于USB 傳輸方式的電磁超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并通過虛擬儀器軟件LabWindow s CVI 對電磁超聲信號進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和顯示。最后,通過試驗驗證了系統(tǒng)的實用性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

目前,EMA T 工作頻率可以達(dá)到10 M Hz 以上,并且接收信號十分微弱,需要采集系統(tǒng)具有較高的采樣速率和采樣精度。電磁超聲不同類型的波激發(fā)方式不同,這就需要系統(tǒng)可以靈活改變發(fā)射脈沖頻率和周波數(shù)等。應(yīng)用電磁超聲,特別電磁超聲導(dǎo)波線掃描方式,一次檢測可達(dá)數(shù)米范圍,因此采集系統(tǒng)必須具有較高采樣深度。另外,電磁超聲應(yīng)用場合復(fù)雜,具有優(yōu)異便攜性的USB 數(shù)據(jù)傳輸方式無疑是本系統(tǒng)的首選。

根據(jù)實際檢測需求,設(shè)計的電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)40 M SPS,采樣位數(shù)為12 位,最大采樣深度為1 M B;電磁超聲發(fā)射脈沖周波數(shù)在1～100 個可調(diào), 發(fā)射頻率在10 kHz～20 MHz可調(diào)。

選用具有USB 2.0 傳輸速度的高速芯片,以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集。充分利用了FPGA 的高速性和靈活性,實現(xiàn)對電磁超聲數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目刂?。使用了大容量S RAM 作為數(shù)據(jù)緩存,采樣深度高。采用圖形顯示表現(xiàn)優(yōu)異、富含各種工具庫的軟件LabWindow s CVI 進(jìn)行上位機(jī)軟件編寫,降低了軟件開發(fā)難度、簡化了編程。

基于USB 的電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。上位機(jī)通過USB 數(shù)據(jù)線與USB 接口芯片CY7C68013A 進(jìn)行通信。系統(tǒng)開始工作時,首先在上位機(jī)軟件界面中輸入電磁超聲發(fā)射的周波數(shù)、頻率、重復(fù)周期、數(shù)據(jù)采集電路的采樣率和采集時間等參數(shù),再通過CY7C68013A 將參數(shù)傳遞到FPGA 芯片配置的寄存器中。FPGA 在控制發(fā)射電路發(fā)出超聲波的同時,控制A/D 開始數(shù)據(jù)采集,同時將采集到的數(shù)據(jù)暫存在SRAM 中。采集結(jié)束后,FPGA 給C Y7C68013A 一個中斷信號,C Y7C68013A 開始通過其內(nèi)部通用可編程接口(General Programmable Interface,簡稱G PIF)配置的時序,在FPGA 的控制下將SRAM 中暫存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺Y7C68013A 內(nèi)部FIFO 中,進(jìn)而傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。上位機(jī)軟件采用VC++設(shè)計USB 接口程序,采用LabWindow s CVI 設(shè)計分析系統(tǒng)軟件。

2 FPGA 同USB 接口芯片的接口設(shè)計

GPIF 是USB 接口芯片CY7C68013A 的端點FIFO 的內(nèi)部主控制器,它有4 個用戶定義波形描述符(Waveform Descriptors)控制狀態(tài)機(jī)。一般情況下,一個用于FIFO 讀、一個用于FIFO 寫、一個用于單字節(jié)/字讀以及一個用于單字節(jié)/字寫。GPIF 提供的外部引腳有輸出(C TL[5 ∶0])、輸入(RDY[5 ∶0]),數(shù)據(jù)總線(FD[15 ∶0])以及地址線(GPIFADR[8 ∶0])。

CY7C68013A 與FPGA 的連接方式如圖2 所示。其中FPGA 通過鎖相環(huán)輸出時鐘給IFC LK,以保證CY7C68013A 能夠以40 M Hz 時鐘讀取緩存SRAM 中的數(shù)據(jù)。CT L0,C TL1 和CTL2 分別為單字寫、單字讀以及FIFO 讀的觸發(fā)信號。RESET 為FPGA 全局復(fù)位信號,S TART 為FPGA 開始采集控制信號。D_RDY 為FPGA 采集完成后給USB芯片中斷信號,通知USB 芯片數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好,可以開始數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 USB 接口芯片與FPGA 的連接方式

筆者通過FPGA 設(shè)計了與CY7C68013A 的接口程序,在FPGA 內(nèi)部設(shè)計了depth_L ,depth_H ,pluse_num,pluse_period 和sample_div 5 個16 位寄存器,分別表示電磁超聲數(shù)據(jù)采樣深度低位、高位、發(fā)射脈沖周波數(shù)、周期、采樣分頻比(40 M Hz 的分頻比),可以通過CY7C68013A 設(shè)置或者讀取寄存器的值。另外,由于使用的是12 位的A/D,筆者通過將其高位補(bǔ)零的方式擴(kuò)展其為16 位,則采樣時間t可以通過以下公式得到:

當(dāng)上位機(jī)通知C Y7C68013A 開始數(shù)據(jù)采集時,由CY7C68013A 的PA3 給FPGA 一個S TART 信號,FPGA 控制A/D 采集, 將數(shù)據(jù)從A/D 暫存在S RAM 中。

以電磁超聲鋼板檢測為例,假定電磁超聲波在鋼中的傳播速度為3 000 m/s,則采用電磁超聲脈沖反射法可檢測的距離S可以用下式表示:

可以滿足絕大多數(shù)場合的需要。

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,FPGA 給CY7C68013A 一個中斷信號,這時候由CY7C68013A 的GPIF 把數(shù)據(jù)從S RAM 傳輸?shù)紺 Y7C68013A 的片內(nèi)FIFO 中,進(jìn)而通過USB 接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3 USB 驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集接口程序

Cypress 最新發(fā)布的開發(fā)套件使得C Y7C68013A 的使用更加趨向傻瓜化,用戶已經(jīng)無需在USB 驅(qū)動及接口程序的編寫上大費(fèi)周折。它包含了最新的驅(qū)動程序,支持Bulk,ISO,Interrupt和Control 傳輸方式,符合USB 2.0 協(xié)議的規(guī)定。

為了保證用戶在無需了解USB 通信協(xié)議及API 函數(shù)的情況下,能夠輕松進(jìn)行電磁超聲發(fā)射和接收參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集,筆者把針對USB 的各種操作(如查找一個固定設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀數(shù)據(jù)、讀控制字和寫控制字等)封裝起來, 通過Visual C++做成DLL ,這樣便于程序的管理和重復(fù)利用,同時也保護(hù)了代碼的知識產(chǎn)權(quán)。

4 數(shù)據(jù)分析軟件

數(shù)據(jù)分析及處理軟件采用LabWindow s CVI編寫,可以實現(xiàn)對電磁超聲發(fā)射和接收電路、數(shù)據(jù)采集電路的參數(shù)設(shè)置,超聲回波數(shù)據(jù)的采集、處理、分析及顯示等功能。

Lab Window s CVI 軟件 以ANSI C 為核心, 將功能強(qiáng)大、使用靈活的C 語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來。它簡化了圖形用戶設(shè)計,使用戶很容易地生成各種應(yīng)用程序[6]。

在Visual C++生成的DLL 文件需要使用Generate Import Library 功能將DLL 文件導(dǎo)出成lib 文件,以便LabWindow s CVI 調(diào)用。

為了進(jìn)一步提高電磁超聲接收信號的信噪比,以便分析計算,采用相關(guān)檢測方法對接收回波進(jìn)行了處理。相關(guān)檢測用于描述不同隨機(jī)過程之間或同一隨機(jī)過程中不同時刻取值的相互關(guān)系,能夠?qū)崿F(xiàn)很好的消噪效果[7]。為此,筆者設(shè)計了基于自相關(guān)的處理方法,可以從復(fù)雜的回波中提取超聲包絡(luò)信號。自相關(guān)檢測原理見圖3。其中,v1,v2是不同檢測周期下的EM AT 接收信號,v0為處理后的信號。兩組接收信號均從發(fā)射后開始采集。由于探頭位置固定,因此兩信號所含缺陷回波幾乎完全一致。而兩組信號中的噪聲是隨機(jī)的,因此利用回波信號的相關(guān)性與噪聲的隨機(jī)性就可提取出缺陷回波。

圖3 自相關(guān)檢測原理圖

在圖3 中,兩個帶通濾波和1 個低通濾波分別選用了LabWindow s CVI 中自帶的Butterw orth 濾波函數(shù)Bw_BPF()和Bw_LPF(),能夠達(dá)到較好的濾波效果。通過對自相關(guān)檢波后的波形施加適當(dāng)閾值,即可計算得到各個回波位置。

在LabWindow s CVI 中筆者在系統(tǒng)進(jìn)程基礎(chǔ)上新建了一個數(shù)據(jù)采集線程,負(fù)責(zé)電磁超聲數(shù)據(jù)的采集和處理。電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)軟件流程圖

5 試驗驗證

為了驗證基于USB 的電磁超聲數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的實用性,運(yùn)用該系統(tǒng)對60 mm 厚的鋁板進(jìn)行了電磁超聲測厚試驗,圖5 為系統(tǒng)上位機(jī)顯示界面。圖中可以看到兩個波形。其中,上部波形為采集的電磁超聲原始信號,下部波形為經(jīng)過自相關(guān)處理后的信號。使用的電磁超聲脈沖頻率為2.08 M Hz,周波數(shù)7 個,采樣頻率40 MHz,采樣時間200 μs,重復(fù)頻率20 Hz?？梢钥吹?處理后的波形具有較高信噪比,通過閾值處理后便可以得到各次回波時間,通過引入傳播速度可以得到回波的聲程,最終計算得到的1～4 次回波聲程測量結(jié)果,測量誤差在1%以內(nèi)。

6 結(jié)論

采用USB 總線實現(xiàn)了電磁超聲數(shù)據(jù)的采集,采樣率可達(dá)40 M SPS,最高采樣深度1 M B,能夠根據(jù)需要合理調(diào)節(jié)電磁超聲發(fā)射頻率、周波數(shù)、重復(fù)周期,可以方便地改變采樣率和采樣深度等。通過LabWindow s CVI 設(shè)計的電磁超聲分析軟件可以與USB 設(shè)備靈活通信,能夠?qū)崟r地處理和顯示電磁超聲接收回波信號,能夠自動判別回波聲程位置等。該系統(tǒng)為進(jìn)一步研究電磁超聲數(shù)字信號處理方法提供了良好的試驗研究平臺。

[1] MacLauchlan D, Clark S, Cox B, el al.Recent advancements in the application of EMATs to NDE[C] .16th World Conference on NDT,2004.

[2] 彭建平, 王黎, 高曉蓉,等.基于EM AT 技術(shù)的輪對踏面探傷儀[J] .儀器技術(shù)與傳感器,2009(1):18-20.

[3] 張永生, 黃松嶺,趙偉, 等.基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測系統(tǒng)[J] .無損檢測,2009,31(4):307-310.

[4] 雷華明.電磁超聲換能器機(jī)理研究及其在管道檢測中的應(yīng)用探索[D] .上海:上海交通大學(xué),2005:1-145.

[5] 宋衛(wèi)華, 王小民, 李明軒.電磁超聲多界面檢測信號去噪方法研究[J] .聲學(xué)學(xué)報,2007,32(3):226-231.

[6] 王建新, 楊世鳳, 隋美麗.LabWindow s/CVI 測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M] .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:2-4.

[7] Kang Lei, Mi Wujun, Lu Chao, el al.Research on weak signal detection technique for electromagnetic ultrasonic inspection system[C] .The 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Singapore:Inst of Elec and Elec Eng Computer Society,2008:2394-2399.