傅 元，姜俊宏，丁振宇

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110870)

鋼板表面?zhèn)臋z測是超聲波探傷領域的一個重要應用，隨著探傷技術的發(fā)展，對于數(shù)據(jù)的實時性要求越來越高，且由于以太網數(shù)據(jù)傳輸具有成本低、傳輸距離遠的特點，因此網絡化數(shù)據(jù)傳輸也是一個重要的研究方向。

對鋼板表面進行探傷時，鋼板上方的一排超聲探頭分別向鋼板發(fā)射超聲波并接收回波，該回波信號經A/D轉換后送入到數(shù)據(jù)處理模塊進行處理。由于數(shù)據(jù)量非常大，需對其進行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)再送入網口進行傳輸。本文首先利用FPGA設計數(shù)據(jù)壓縮器電路，再將壓縮后的數(shù)據(jù)送入網絡數(shù)據(jù)傳輸模塊的輸入端，通過FPGA設計邏輯電路控制硬件協(xié)議棧芯片W5300[1]實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，最終達到實時探傷的目的。該方法實現(xiàn)較容易，集成度高，穩(wěn)定性好，可進行廣泛應用。

1 系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)壓縮器電路、網絡數(shù)據(jù)傳輸模塊、有限狀態(tài)機和W5300網絡通信電路組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理框圖

首先進行系統(tǒng)的初始化，對數(shù)據(jù)壓縮器的初始值和W5300的工作方式進行配置。再將經A/D變換后的探傷初始數(shù)據(jù)送入到數(shù)據(jù)壓縮器中壓縮，以預設數(shù)量的數(shù)據(jù)為一組，經過壓縮后將數(shù)據(jù)送入FIFO電路中，等待網絡數(shù)據(jù)傳輸模塊調用。當系統(tǒng)檢測到FIFO中有數(shù)據(jù)時，利用有限狀態(tài)機控制網絡數(shù)據(jù)傳輸模塊和W5300，通過以太網發(fā)送壓縮后的探傷數(shù)據(jù)至上位機，進而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)原理分析

2.1 數(shù)據(jù)壓縮器

超聲探頭一般工作在 2 MHz～5 MHz，經 A/D采樣后的數(shù)據(jù)量會非常大，而上位機接口繪制曲線的刷新次數(shù)在 25次/s以上即可清晰顯示波形圖像[2]，因此需對采樣的數(shù)據(jù)進行壓縮，從而加快數(shù)據(jù)處理的速度，減少資源的占用。

數(shù)據(jù)壓縮器的原理框圖如圖2所示。初始時，對較大數(shù)寄存器和較小數(shù)寄存器賦初值,分別為00H和FFH。將當前采樣來的數(shù)據(jù)分別放入較大數(shù)比較器和較小數(shù)比較器，并與寄存器中的數(shù)據(jù)進行比較，若該數(shù)據(jù)大于較大數(shù)或小于較小數(shù)，則將該數(shù)存入對應的寄存器中并替換原來的數(shù)據(jù)，否則寄存器中數(shù)據(jù)不變。與此同時，計數(shù)器對數(shù)據(jù)量進行計數(shù)，若計數(shù)值滿足預先設定的數(shù)據(jù)量，則將計數(shù)器中的值送入到對應的FIFO中等待下一步處理。

圖2 數(shù)據(jù)壓縮器的原理框圖

2.2 網絡數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊由FIFO數(shù)據(jù)讀取電路、網絡配置及時序電路、W5300及有限狀態(tài)機構成,負責壓縮后數(shù)據(jù)的讀取和控制W5300以直接地址模式[3]向以太網發(fā)送數(shù)據(jù)。圖3為以太網控制器的原理框圖。

圖3 網絡數(shù)據(jù)傳輸模塊的原理框圖

FIFO數(shù)據(jù)讀取電路首先檢測FIFO當前狀態(tài)，若其中有數(shù)據(jù)，則進行讀取，并將該數(shù)據(jù)送入FPGA內部配置的寄存器中等待發(fā)送。

網絡配置及時序電路負責對W5300進行初始化設置和讀、寫時序的設計。該芯片內部集成10/100 Mb/s以太網控制器、MAC和TCP/IP協(xié)議棧，支持8個獨立端口同時連接，通信速率最高可達80 Mb/s[4]。本系統(tǒng)中，需拉高BIT16EN引腳設置W5300工作在16位數(shù)據(jù)總線模 式 ，將 TEST_MODE[3：0]和 OP_MODE[2：0]接 地 ，使 用內部PHY，并配置為全功能自動握手方式[5]。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋渲孟鄳拇嫫魇筗5300以DMA方式工作在UDP模式下。讀、寫部分通過Verilog語言編寫相應代碼，搭建純硬件數(shù)據(jù)處理電路，等待狀態(tài)機調用。

有限狀態(tài)機負責對芯片的復位、初始化和數(shù)據(jù)的讀寫進行控制，采用兩段式構成。由于W5300需單獨復位后方能正常工作[6]，系統(tǒng)上電后由FPGA自動發(fā)送復位脈沖至W5300。復位完畢后進行初始化，初始化完畢后判斷當前FIFO狀態(tài)，待FIFO中存在數(shù)據(jù)時執(zhí)行讀操作和寫操作，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，完成網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。之后返回初始化后的狀態(tài)，等待下一個數(shù)據(jù)。有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖如圖4所示。

圖4 有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖

3 實驗結果與分析

通過多次試驗得出，該系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)壓縮和網絡通信功能。實驗中，數(shù)據(jù)壓縮器以每256個數(shù)據(jù)為一組，從中選取最大值和最小值送入FIFO，使用Verilog語言在FPGA上很好地實現(xiàn)了該功能，經多次測試無亞穩(wěn)態(tài)和競爭冒險現(xiàn)象出現(xiàn)，能夠可靠地進行數(shù)據(jù)壓縮，保證結果的準確性。

在連續(xù)大量發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)的網絡通信速率能夠穩(wěn)定在75 Mb/s左右，達到了預期的效果，能夠作為網絡傳輸模塊應用在超聲探傷和其他需要高速網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽脠龊?。圖5為網絡通信速率的測試結果。

圖5 網絡通信速率測試數(shù)據(jù)

利用FPGA和W5300搭建純硬件網絡通信電路，能夠將大量數(shù)據(jù)通過以太網進行高速傳輸，方便對生產過程進行遠程控制和實時監(jiān)測。結合數(shù)據(jù)壓縮器，能夠在數(shù)據(jù)量較大時，依據(jù)實際需要選取一定數(shù)量的、具有代表性的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，并?jié)約資源。該方案開發(fā)周期短，成本低廉，易于維護，有著較高的穩(wěn)定性和可靠性，且配置較為靈活，實用價值較高，可用于數(shù)據(jù)量較大的高速超聲探傷領域中。

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[5]喬立巖,梁宇,趙浩然,等.基于W5300的以太網接口設計[J].電子測量技術，2012，7(35)：129-132.

[6]WIZnet.W5300 datasheet[Z].2010.