李卞俊，楊　錄

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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多通道超聲探傷總控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李卞俊，楊錄

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要：針對(duì)目前市場(chǎng)上超聲探傷儀通道數(shù)少、檢測(cè)效率低的缺點(diǎn)，提出了一種基于FPGA的多通道超聲探傷總控系統(tǒng)。FPGA的使用提高了數(shù)據(jù)處理能力，可實(shí)現(xiàn)單通道單點(diǎn)采樣，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，并且利用Cypress USB芯片與上位機(jī)通信，提高了檢測(cè)速率與精度，適用于生產(chǎn)過(guò)程中的大批量、高效率檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，批量大，有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超聲探傷；單點(diǎn)采樣；總控系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列

目前國(guó)內(nèi)研制的超聲探傷儀器大致可分為兩種[1]：一種是便攜式探傷儀，但是便攜式探傷儀器掃查的速度慢，效率低，而且部分儀器是基于單片機(jī)所研制的，單片機(jī)資源有限，而且執(zhí)行效率不高，不利于大批量的工件檢測(cè)[2]。另一種是多通道超聲探傷儀，而多通道探傷儀由于數(shù)據(jù)吞吐量較大，采樣的實(shí)時(shí)性是多通道超聲探傷系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。

1檢測(cè)方案與缺陷識(shí)別方法

本方案采用水浸式脈沖發(fā)射法，在檢測(cè)過(guò)程中，探頭會(huì)接收到多個(gè)波，依次為始發(fā)波、水鋼界面波、鋼底波以及可能存在的傷波，調(diào)整合適門(mén)選信號(hào)，選出存在的缺陷信號(hào)，根據(jù)缺陷信號(hào)進(jìn)行判傷[3]。為了提高判傷的準(zhǔn)確率，采用雙探頭檢測(cè)，如圖1所示。

圖1　檢測(cè)方案示意圖

超聲波在金屬材料中傳播時(shí)，材料中的不連續(xù)會(huì)對(duì)超聲波產(chǎn)生影響，實(shí)質(zhì)為材料特性對(duì)超聲波進(jìn)行調(diào)制，因而，對(duì)透射波和反射波進(jìn)行解調(diào)即可得到材料內(nèi)部不連續(xù)的特性[4]。

2多通道超聲探傷儀總體硬件結(jié)構(gòu)

多通道超聲總控系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和下位機(jī)硬件系統(tǒng)兩部分組成。硬件主要由探傷電路板、高壓模塊、20通道探頭和FPGA采集模塊構(gòu)成[5]。

數(shù)字超聲總控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)前端的發(fā)射部分向探頭發(fā)出觸發(fā)脈沖產(chǎn)生超聲始波信號(hào)，并接收探頭探測(cè)到的回波信號(hào)，通過(guò)后端的FPGA核心處理單元進(jìn)行采樣控制，繼而通過(guò)USB芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，將探傷數(shù)據(jù)傳至上位PC機(jī)完成波形顯示等后期工作，同時(shí)還將上位機(jī)傳送的控制參數(shù)傳至探傷電路板實(shí)現(xiàn)工作方式或參數(shù)的改變。

圖2　20通道超聲總控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1超聲發(fā)射電路

超聲發(fā)射接收電路在窄脈沖觸發(fā)信號(hào)的控制下，產(chǎn)生激勵(lì)超聲探頭的高壓控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)射[6]。超聲波發(fā)射電路主要包括觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路和高壓脈沖電路。MOS管8N80的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，然而采集與控制電路輸出為5 V的脈沖信號(hào)，不能夠驅(qū)動(dòng)功率管，所以采用TC4427去驅(qū)動(dòng)8N80工作，輸出端產(chǎn)生激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波的負(fù)高壓脈沖。發(fā)射信號(hào)受FPGA芯片控制。

2.2超聲接收電路

為了提高電路的通用性，使設(shè)計(jì)的電路能應(yīng)用于各種情況，在接收電路中設(shè)計(jì)了0～60 dB的衰減[7]。超聲發(fā)射接收電路能夠在門(mén)控信號(hào)下對(duì)超聲回波進(jìn)行截取，只要閘門(mén)的前沿和寬度調(diào)節(jié)合適即可去掉超聲的始發(fā)波和鋼底波，而將有用的超聲缺陷信號(hào)送給峰值保持電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集峰值保持電路保持的閘門(mén)內(nèi)超聲缺陷信號(hào)的最大值，最終根據(jù)最大值進(jìn)行缺陷判定。

2.3信號(hào)采集卡電路

信號(hào)采集卡電路是采集轉(zhuǎn)接板送來(lái)的信號(hào)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化后通過(guò)USB芯片傳至上位機(jī)。硬件系統(tǒng)的總體控制由Cyclone的FPGA芯片完成，采用20 M的時(shí)鐘晶振。ADC芯片選用EXAR公司的8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器MP7690，MP7690具有三種采樣時(shí)序：第一種是連續(xù)給脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣；第二種是給出兩個(gè)連續(xù)負(fù)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，MP7690的比較器處于平衡狀態(tài)并且準(zhǔn)備對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣，此種模式吸收VDD上的最大電流；第三種是給出兩個(gè)連續(xù)正脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，此種模式將比較器至于浮動(dòng)狀態(tài)，在實(shí)際采樣脈沖前必須給一個(gè)平衡脈沖，由于比較器輸入是浮動(dòng)的所以IDD是變化的[8]，由于系統(tǒng)時(shí)鐘為上升沿有效，所以選用第三種采樣模式。

3FPGA下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

FPGA下位機(jī)程序采用VerilogHDL語(yǔ)言，在Quartus II環(huán)境下完成開(kāi)發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。本下位機(jī)系統(tǒng)分為五個(gè)模塊。整體模塊框圖如圖3所示。

圖3　FPGA模塊框圖

重點(diǎn)模塊如下：

3.1發(fā)射門(mén)控模塊

此模塊根據(jù)USB通訊控制模塊工作模式參數(shù)，在不同工作模式下，給出20通道的觸發(fā)信號(hào)和門(mén)控信號(hào)。在檢波模式下，上位機(jī)選擇所選的通道給出觸發(fā)和門(mén)控信號(hào)，其余的通道不給觸發(fā)；在峰保模式下， A通道和B通道交替給出觸發(fā)，時(shí)間間隔500 μs，相同通道之間間隔1 ms實(shí)現(xiàn)單通道1 kHz的采樣頻率。門(mén)控信號(hào)由每個(gè)通道在檢波模式下設(shè)置的參數(shù)給出。

3.2采樣控制模塊

此模塊接收USB通訊控制模塊命令和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，該模塊中包含檢波模式和峰保模式兩個(gè)子模塊。在檢波模式下，以觸發(fā)信號(hào)為基準(zhǔn)，采集1K數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)FIFO模塊；在峰保模式下，以觸發(fā)信號(hào)為基準(zhǔn)延時(shí)50 μs采樣，每個(gè)通道單點(diǎn)采樣送至數(shù)據(jù)FIFO模塊，直至FIFO滿(mǎn)停止采樣，工作時(shí)序圖如圖4所示。CLK為時(shí)鐘信號(hào)，AFS為A組觸發(fā)信號(hào)，BFS為B組觸發(fā)信號(hào)，ADDR是通道地址，AD_CLK為ADC的時(shí)鐘脈沖，AD_OE為ADC的使能端，WRREQ是寫(xiě)FIFO請(qǐng)求。

圖4　峰保單點(diǎn)采樣工作仿真時(shí)序圖

4上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Visual Studio 2013，基于MFC庫(kù)開(kāi)發(fā)。上位機(jī)分為四個(gè)功能模塊：檢波調(diào)試模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、檢測(cè)模塊以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊[9]。

檢波調(diào)試模塊主要用于與超聲探傷儀的通信，通信采用賽普拉斯公司提供的CyAPI庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)，包括上位機(jī)的參數(shù)(包括通道選擇、增益、門(mén)前沿和門(mén)寬參數(shù)設(shè)置)和探傷儀采樣數(shù)據(jù)的讀取，該模塊采用雙緩沖繪圖技術(shù)進(jìn)行檢波波形的顯示；參數(shù)設(shè)置模塊是用于上位機(jī)與PLC工控機(jī)通訊，采用串口通訊，包含工件的型號(hào)、采樣點(diǎn)數(shù)以及判傷參數(shù)的設(shè)置；檢測(cè)模塊是根據(jù)檢波調(diào)試模塊的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行峰保采樣，再將采樣數(shù)據(jù)算法處理進(jìn)行判傷；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊主要是基于Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，該模塊包含系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)員、產(chǎn)品類(lèi)型、檢測(cè)工件數(shù)量、廢品個(gè)數(shù)以及系統(tǒng)使用統(tǒng)計(jì)信息，并具有檢測(cè)報(bào)告打印功能。該上位機(jī)人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單。

5數(shù)據(jù)分析與處理

由于生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境復(fù)雜、PLC控制系統(tǒng)影響和電機(jī)的干擾，導(dǎo)致采回的信號(hào)會(huì)存在噪聲，所以需要進(jìn)一步的處理提取缺陷信號(hào)進(jìn)行判傷。

經(jīng)分析數(shù)據(jù)可以看出，采回的信號(hào)存在奇異點(diǎn)，而且信號(hào)的基線(xiàn)也被抬高，如圖5(a)所示。對(duì)信號(hào)去奇異點(diǎn)，再對(duì)信號(hào)去除抬高的基線(xiàn)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理并放大得到缺陷信號(hào)，就能夠有效地進(jìn)行判傷。截取B探頭有傷部分信號(hào)為例，如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)處理

由于缺陷信號(hào)是有周期性的，將前一周期的信號(hào)和后一周期做自相關(guān)，自相關(guān)函數(shù)大于某一閾值時(shí)，判別為傷。算法處理簡(jiǎn)單有效，所以本系統(tǒng)可以進(jìn)行高效的判傷。

6總結(jié)

本文介紹了多通道超聲總控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，討論了超聲探傷儀硬件總體結(jié)構(gòu)、前端超聲收發(fā)模擬電路的設(shè)計(jì)與后端FPGA程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。FPGA執(zhí)行效率高，可實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集，大大提高了檢測(cè)的量程；數(shù)據(jù)處理算法簡(jiǎn)單高效，在上位機(jī)中直接進(jìn)行處理和判傷，提高了檢測(cè)的效率和精度。采用USB與上位機(jī)通信，即插即用、方便有效。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)調(diào)試和工廠使用過(guò)程中表明，人機(jī)交互友好、檢測(cè)效率高、缺陷識(shí)別精度高，在筒形鋼制材料缺陷檢測(cè)領(lǐng)域得到很廣泛的應(yīng)用。

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Research and Design of Multi-channel Ultrasonic Detecting Control System

Li Bianjun, Yang Lu

(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:Considering the disadvantages of the ultrasonic flaw detectors on the current market, such as fewer channels and low efficiency of detecting, the paper puts forward the multi-channel ultrasonic detecting control system based on FPGA. The using of FPGA improves the ability of data processing, and realizes the signal-point sampling on signal channel, also improves the stability and instantaneity of the system. With the using of Cypress USB chip, the speed and precision are improved, so the system can be used to detect with large quantities and high efficiency in the process of production. The experiment shows the system has stable performance, high precision, large range, and will have a broad application prospect.

Key words:ultrasonic detecting; signal-point sample; total control system; FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0083- 02

作者簡(jiǎn)介：李卞俊(1990- )，男，江蘇人，碩士研究生，主要從事工作：超聲無(wú)損檢測(cè)與信號(hào)處理。

收稿日期：2015-09-30