彭樂鋒，劉 康，劉 繼

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海201800）

基于ZYNQ的渦流無損檢測阻抗分解算法的實現(xiàn)

彭樂鋒，劉 康，劉 繼

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海201800）

渦流無損檢測技術在近年來取得了很大的發(fā)展，在工業(yè)檢測領域有著重要的應用。在渦流檢測系統(tǒng)的設計中，最為關鍵的是對缺陷信號進行提取。目前絕大多數渦流儀器都是基于阻抗分解技術進行缺陷信號的特征提取。在對特征提取技術的原理和實現(xiàn)方法進行了簡要闡述的基礎上，分析了模擬電路、DSP和傳統(tǒng)FPGA實現(xiàn)的不足，提出了在ZYNQ平臺上實現(xiàn)該算法的方案。該方案利用了ZYNQ平臺的優(yōu)勢，使用軟硬件協(xié)同設計和IP集成的設計思想，實現(xiàn)快速開發(fā)。利用ZYNQ片內互聯(lián)總線，實現(xiàn)了動態(tài)參數可調。采用該方案實現(xiàn)的阻抗分解算法能夠降低實現(xiàn)難度，且能夠達到顯著的缺陷提取效果。

渦流無損檢測；ZYNQ平臺；阻抗分解；軟硬件協(xié)同設計；數字信號處理

1 引言

渦流檢測技術作為一種重要的無損檢測技術，近年來取得了很大的發(fā)展。由于其具有靈敏度高、易于實現(xiàn)自動化、檢測效率高等優(yōu)點，在工業(yè)無損檢測中扮演著重要的角色[1]。在渦流檢測技術中，關鍵的環(huán)節(jié)是提取檢測信號中的缺陷特征信號。因此，對檢測信號的特征提取理論和實現(xiàn)方法進行研究具有重要的意義。

目前，絕大多數的渦流檢測儀器都是基于阻抗分解算法來實現(xiàn)缺陷提取的。傳統(tǒng)的方法是使用電路處理模擬信號來完成，這一方法的缺點是電路設計復雜且易受噪聲信號的干擾，測量精度比較低，適用范圍較窄[2]。因此，近年來很多研究者從數字信號的角度來實現(xiàn)該算法，比如在DSP等微控制器平臺上實現(xiàn)。但是由于這些平臺是串行執(zhí)行指令，因此，在處理大批量的數據時，會導致CPU負載過高，處理速度慢[3]。還有研究者為了提高處理速度，提出用FPGA來實現(xiàn)。但是由于需要使用硬件描述語言來實現(xiàn)整個算法的數據處理和數據流的控制，因此，實現(xiàn)難度較大[4]。經過對比，提出了一種在Xilinx公司的ZYNQ平臺上從數字信號處理的角度實現(xiàn)阻抗分解算法的方案。該方案結合ZYNQ的優(yōu)勢和軟硬件協(xié)同設計的方法，相比DSP實現(xiàn)而言，其處理速度高。相比傳統(tǒng)FPGA的實現(xiàn)而言，其編程難度低，開發(fā)速度快，可靈活設置參數，同時具有很好的缺陷提取效果。

圖1 阻抗分解原理框圖

2 阻抗分解

渦流檢測線圈的阻抗值是一個矢量，可分解為相互垂直的電阻分量和感抗分量，如公式（1）所示：

采用阻抗分解法,根據阻抗信號反演被測工件上缺陷的形狀和位置，需要將檢測線圈的阻抗信號進行正交分解，得到電阻分量和感抗分量。阻抗信號分解的原理框圖如圖1所示。

圖1中信號發(fā)生器產生正弦信號激勵探頭，從探頭返回的被測對象的阻抗信號為用來激勵探頭的正弦信號又作為后續(xù)相敏檢波的一路參考信號，同時經過90°移相后形成另一路參考信號相敏檢波電路的作用是將參考信號和阻抗信號完成乘法運算，從而得到和頻信號與差頻信號，利用低通濾波濾除和頻信號即可得到所要的差頻信號。與是頻率相同的正弦波時，計算公式如（2）所示：

通道（1）進行的運算如公式（3）所示：

經過低通濾波濾除高頻分量后即可得到直流分量，如公式（4）所示：

經過低通濾波濾除高頻分量后即可得到直流分量，如公式（6）所示：

3 ZYNQ平臺介紹

3.1 ZYNQ介紹

ZYNQ是Xilinx公司推出的高性能和低功耗的可擴展處理器平臺，每個ZYNQ系列的單芯片內都集成了ARM Cortex-A9系列處理器系統(tǒng)(Processor System,PS)和Xilinx可編程邏輯（Programmable Logic,PL），并且PS中集成了內存控制器，外部存儲器DDR控制模塊及大量的外設。PS配有AMBA開放總線互聯(lián)端口，可以通過AXI片內高速總線互聯(lián)和PL通信，帶寬速度高達100Gbps[5]。

3.2 AXI總線協(xié)議的介紹

AXI(Advanced eXtensible Interface)是一種總線協(xié)議，是ARM公司提出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)3.0協(xié)議最重要的部分，是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內總線[6]。AXI互聯(lián)和接口在PS和PL之間形成橋梁,把PS和PL兩者協(xié)同起來形成集成的系統(tǒng)。AXI總線分為三種類型：

1、AXI4—用于存儲映射鏈接，它支持最高的性能：通過一簇高達256個數據字的數據傳輸來給定一個地址。

2、AXI4-Lite—一種簡化了的鏈接，只支持每次連接傳輸一個數據（非批量）。AXI4 Lite也是存儲映射的：這種協(xié)議下每次傳輸一個地址和單個數據。

3、AXI4-Stream—用于高速流數據，支持批量傳輸無限大小的數據。沒有地址機制，這種總線類型最適合源和目的地之間的直接數據流。

因此，需要根據數據的形式選擇合適的AXI總線類型。算法數據傳輸采用AXI-Stream協(xié)議，能夠實現(xiàn)高速的傳輸。而控制接口采用AXI-Lite協(xié)議，用來實現(xiàn)PS端對PL端的參數配置。

3.3 軟硬件協(xié)同設計的方法介紹

Xilinx為了適應系統(tǒng)的快速開發(fā)，推出了Vivado系統(tǒng)集成開發(fā)工具，提出了基于軟硬件協(xié)同設計的方法。設計者根據系統(tǒng)各個功能模塊的性能和資源需求，進行軟硬件的劃分。比如將運算量大的部分劃分成硬件實現(xiàn)，即在PL端用FPGA實現(xiàn)，將控制部分劃分成軟件實現(xiàn)，即在PS端用C語言編程實現(xiàn)。同時，設計者可以使用Xilinx提供的IP核來實現(xiàn)算法，并且可以自定義IP核，利用AXI總線來進行封裝，跟PS端實現(xiàn)通信。由于具有以上優(yōu)點，因此基于ZYNQ平臺的設計方法可以降低算法的實現(xiàn)難度，縮短設計時間[7]。

4 阻抗分解算法的ZYNQ實現(xiàn)

在圖1可以看到，阻抗分解算法分為兩部分，分別為相敏檢波和低通濾波。本文使用數字相敏檢波和由累加平均實現(xiàn)的低通濾波。ZYNQ平臺中的阻抗分解的實現(xiàn)架構如圖2所示。從圖2可以看出，信號從探頭返回后直接進入AD轉換器，轉換成數字信號，進入ZYNQ進行阻抗分解算法的處理。

圖2 ZYNQ平臺阻抗分解的實現(xiàn)架構

4.1 數字相敏檢波的實現(xiàn)

數字相敏檢波是將探頭回來的信號直接通過模數轉換，然后與ZYNQ內部用DDS產生的兩路參考信號相乘。課題采用12位AD芯片,采樣頻率為50MHz，探頭的激勵信號頻率為50kHz到5MHz。為了濾除信號中的高頻噪聲，改善信號的質量，因此在算法通路的起點加入一個截止頻率為5MHz的FIR低通濾波器，使用窗函數設計方法，采用漢明窗，得到濾波器為51階[8]。在數字相敏檢波的實現(xiàn)中，使用了基于IP核的設計方法，利用官方提供的IP核與自定義的IP核組成算法通路。DDS、FIR濾波器、乘法器、均使用Xilinx官方提供的IP核，上述IP核只需根據算法的參數進行配置即可，IP核的數據接口都采用AXI-Stream接口。算法運行的時鐘為AD芯片輸出的數據時鐘DCOA，AD芯片輸出的數據為ada_din[11:0]，通過PL端的引腳引入到ZYNQ。從圖1可以知道，通道1和2的區(qū)別在于參考信號的不同。下面給出數字相敏檢波算法通道1的IP核連接，如圖3所示。在調試時加入嵌入式邏輯分析儀可以實現(xiàn)在線抓取數據的功能，可以看到DDS輸出的正弦信號，如圖4所示。

圖3 數字相敏檢波算法通道1的IP核連接

圖4 邏輯分析儀抓取的DDS正弦信號

4.2 低通濾波的累加平均實現(xiàn)

由式（3）可知，相乘后結果里含有一個倍頻的高頻分量，要將這個分量去除，傳統(tǒng)方法是使用數字濾波器來完成。信號頻率為50kHz時，則其倍頻分量為100kHz，因此需要設計一個截止頻率為50kHz，采樣頻率為50MHz的低通濾波器。本文使用Kaiser窗函數法來設計，得到濾波器的階數高達50185。這是由于采樣頻率太高，目標截止頻率太低，從而過渡帶太窄導致的。因此，使用數字濾波器來完成低通濾波，會極大地消耗系統(tǒng)資源和降低系統(tǒng)的實時性。由于倍頻分量是一個正弦信號，因此，根據正弦整周期內積分為零的特點，按照整周期累加的方法可以消除這個倍頻分量。同時，由于特征信號為直流信號，從而會得到加強，為了還原真實數值，還需要除以倍頻信號整周期內的點數。此外，當累加器累加多個周期時，還可以實現(xiàn)缺陷信號的平滑濾波作用和抽取作用。Xilinx官方提供了累加器和除法器的IP核。但是，累加器需要實現(xiàn)累加到上限值時重新從當前輸入的數據重新開始累加這個功能，因此需要使能IP核的bypass信號，用來將當前輸入直接輸出到結果。同時需要自定義一個IP,名為Accumulator Controller，用來同步數據的控制和產生bypass信號，如圖5所示。累加器上限值計算公式如式（9）所示：

式（9）中Fs是 系統(tǒng)的采樣頻率， Fsig是探頭的激勵頻率。累加器的上限值由PS端計算后，通過AXI-Lite總線傳輸到acc_num接口。累加平均算法的IP核連接如圖6所示。使用嵌入式邏輯分析儀抓取自定義IP的輸出bypass和累加器的輸出，如圖7所示，可以看到程序工作正常,實現(xiàn)了累加功能。

圖5 自定義的累加器控制IP核

圖6 累加平均算法的IP核連接

圖7 邏輯分析儀抓取的累加器輸出和bypass信號

5 算法處理效果分析

為了驗證算法的有效性，需要與實驗室原有的模擬阻抗分解電路的輸出進行比較。實驗條件時探頭的激勵信號頻率為100kHz,發(fā)射檔位為1檔，前置放大增益為9dB，以0.1m/s的速度經過一個鐵棒上的寬0.3mm，深0.1mm，長10mm的缺陷。采集到的UX分量如圖8所示。

圖8 模擬電路實現(xiàn)的阻抗分解算法提取的Ux分量

在同樣的實驗條件下，使用ZYNQ平臺實現(xiàn)的阻抗分解算法來提取UX信號，將結果保存成文本，導入到Matlab中查看，如圖9所示。可以看到，得到的缺陷波形與模擬電路實現(xiàn)時得到的一致，證明了此算法的有效性。

圖9 ZYNQ平臺實現(xiàn)的阻抗分解算法提取的Ux分量

6 結束語

在闡述渦流無損檢測中阻抗分解算法的原理基礎上，分析了該算法的模擬電路實現(xiàn)和DSP實現(xiàn)的缺點。更進一步分析了傳統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)的缺點，進而提出了用ZYNQ平臺來實現(xiàn)阻抗分解算法。

該方案靈活利用了ZYNQ平臺的優(yōu)勢，可以通過PS端在線配置參數，實現(xiàn)了數據的流水線處理，且取得了顯著的效果。同時，大大降低了開發(fā)難度。對渦流設備的設計而言，此方案能夠簡化電路設計，降低成本，提高集成度，縮短研發(fā)周期，具有重要的現(xiàn)實意義。

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Implementation of Impedance Decomposition Algorithm for Eddy Current Nondestructive Testing Based on ZYNQ

Peng Lefeng，Liu Kang，Liu Ji
(Institute of Rail Transit，Tongji University，Shanghai 201800，China)

Eddy current nondestructive testing has developed rapidly in recent years and is widely used in industrial inspection area.When it comes to the design of eddy current testing system,the most important part is the extraction of the flaw signal.Nowadays,most of these instruments use the method of impedance decomposition to extract the feature.On the basis of brief introduction of the principle and realization method of feature extraction technology,analyzing the disadvantage of the implementation of the analog circuit,DSP and traditional FPGA,a method of implementing this algorithmon on ZYNQ platform is proposed.This method takes advantage of ZYNQ platform,using hardware-software co-design and IP integration idea to achieve rapid development.With on-chip interconnect bus,dynamic parameters adjustability is realized.The impedance decomposition algorithm with this method can reduces the difficulty to implement,and has an outstanding ability to extract the flaw features.

Eddy current nondestructive testing；ZYNQ；Impedance decomposition；Hardware-software co-design;Digital signal processing

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.017

TH701

A

1002-2279-（2017）05-0065-05

彭樂鋒（1992—），男，廣東省肇慶市懷集縣人，碩士研究生，主研方向：無損檢測。