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        千兆以太網(wǎng)在多通道超聲探傷儀高速接口中的應(yīng)用

        2011-06-16 11:00:40
        科技視界 2011年22期
        關(guān)鍵詞:探傷儀PC機(jī)以太網(wǎng)

        桂 婧

        (廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院電氣工程系 廣東 廣州 510663)

        0 引言

        自動(dòng)化超聲波檢測(cè)系統(tǒng)通常包括超聲波探傷儀器(一般均采用多通道以提高檢測(cè)效率)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、記錄裝置三大基本部分,本文就其中的超聲探傷儀部分的高速通信接口技術(shù)進(jìn)行研究。

        1 整機(jī)架構(gòu)圖與功能分析

        根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,本系統(tǒng)采用8通道檢測(cè)單元,系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

        圖1 多通道超聲探傷系統(tǒng)架構(gòu)圖

        整機(jī)系統(tǒng)由五個(gè)功能模塊組成:

        1.1 超聲探頭:為了更加全面的對(duì)被

        檢工件進(jìn)行監(jiān)測(cè),需要從多個(gè)角度觀察,采用多角度的探頭組合,包括45度、63度、70度斜探頭各2個(gè),0度雙晶1個(gè)。

        1.2 收發(fā)模塊

        ①發(fā)射采用非諧振式電路,平衡穿透力與分辨力;

        ②接收電路采用預(yù)放、濾波、主放大這樣一個(gè)流程;

        ③采用低噪聲高增益放大器件,增益調(diào)節(jié)范圍可達(dá)114dB;

        ④硬件濾波電路,頻帶范圍有0.5—20m、1—6m、3—25m三種可選;

        1.3 數(shù)字信號(hào)處理與收發(fā)控制模塊

        ①負(fù)責(zé)接收ADC送過(guò)來(lái)的射頻數(shù)字信號(hào)流,經(jīng)檢波、抽取,然后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口送給PC模塊;

        ②根據(jù)需要,可以實(shí)現(xiàn)全波、+/-半波檢波;

        ③不同的探測(cè)深度,固定的屏幕顯示分辨率;

        ④為了避免缺陷漏判,考慮峰值保持,如此壓縮過(guò)程就是一個(gè)非均勻的處理;

        1.4 PC 模塊;

        1.5 電源模塊。

        2 千兆以太網(wǎng)的嵌入式解決方案概述

        2.1 千兆以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

        以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),千兆以太網(wǎng)技術(shù)繼承了以往以太網(wǎng)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具有諸多新特性,例如傳輸介質(zhì)包括光纖和銅纜,使用8B/10B的編解碼方案,采用載波擴(kuò)展和分組突發(fā)技術(shù)等。正是因?yàn)榫哂辛己玫睦^承性和許多優(yōu)秀的新特性,千兆以太網(wǎng)已經(jīng)成為目前局域網(wǎng)的主流解決方案[1]。

        2.2 整體設(shè)計(jì)方案

        一個(gè)完整的以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是包括用戶(hù)應(yīng)用程序(Ap-plication)、以太網(wǎng)通信協(xié)議棧(TCP/IP Stack)、以太網(wǎng)控制器(Ethernet LAN Controller)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)四個(gè)部分[2],該以太網(wǎng)控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,整個(gè)系統(tǒng)分為MAC模塊、主機(jī)接口模塊和管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。其中MAC模塊主要執(zhí)行在全雙工模式下的流量控制,MAC模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收功能。管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3介質(zhì)獨(dú)立接口,可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層和物理層。主機(jī)接口則提供以太網(wǎng)控制器與上層協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)之間的接口用于數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及對(duì)控制器內(nèi)各種寄存器的設(shè)置。

        圖2 基于FPGA的千兆網(wǎng)總體設(shè)計(jì)框圖

        3 關(guān)鍵技術(shù)分析

        由于科技水平的發(fā)展,高性能多通道超聲無(wú)損探傷儀需要在工作時(shí)將實(shí)時(shí)采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)進(jìn)行圖像的處理,然而隨著實(shí)時(shí)成像要求的不斷提高和圖像質(zhì)量的不斷改善,要求的數(shù)據(jù)傳輸速率呈現(xiàn)出幾何級(jí)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí),在采集傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中要求數(shù)據(jù)的完整性和正確性是非常重要的,少量的數(shù)據(jù)丟失都可能無(wú)法生成正確的圖像,給最終的物體探傷檢測(cè)判斷造成影響。所以,如何保證數(shù)據(jù)高速可靠的傳輸,成為超聲探傷儀設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的問(wèn)題。

        本系統(tǒng)中,圖像顯示存儲(chǔ)與操作控制均在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn),受機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制,要求PC機(jī)與超聲檢測(cè)單元相距至少6m;大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速度要求達(dá)到10MB/s。

        當(dāng)今可用于工業(yè)環(huán)境的高速通信接口包括:PCI、PCI-E、USB3.0、藍(lán)牙2.0、WIFI和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等。但受6m距離的限制,PCI、PCI-E、USB3.0三種接口不可用;藍(lán)牙2.0的實(shí)際穩(wěn)定速度建議為10kB/s,不滿(mǎn)足速度要求;WIFI理論速度13.5MB/s,速度達(dá)到要求,但由于工業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜,在準(zhǔn)確性穩(wěn)定性方面存在一定的不確定性;而有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),尤其是千兆網(wǎng)絡(luò),采用TCP/IP協(xié)議速度可以達(dá)到18MB/s,且穩(wěn)定可靠,是一個(gè)理想的選擇。

        4 總結(jié)

        隨著SOPC、嵌入式操作系統(tǒng)以及嵌入式千兆以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,為超聲探傷儀的數(shù)據(jù)傳輸,提供了高效廉價(jià)的嵌入式千兆以太網(wǎng)解決方案。嵌入式千兆以太網(wǎng)使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得到保證,同時(shí)千兆以太網(wǎng)采用的傳輸介質(zhì)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,并且由于采用了通用性強(qiáng)的基于網(wǎng)絡(luò)SOCKET編程的TCP/IP協(xié)議,有著很強(qiáng)的通用性和移植性。

        [1]張旭輝,馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).現(xiàn)狀·趨勢(shì)·戰(zhàn)略,2002:24-26.

        [2]Altera Corp.Accelerating Nios II Networking Applications,2009.

        [3]Marvell Semiconductor,Inc.88E1111 Datasheet:Integrated 10/100/1000 Ultra Gigabit Ethernet Transceiver,2004.

        [4]W.Richard Stevens.TCP/IP 詳解(卷 1:協(xié)議).范建華,等,譯.機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

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