四通道超聲探傷卡的硬件設(shè)計(jì)

1 四通道超聲探傷卡的總體結(jié)構(gòu)
　　四通道超聲探傷卡的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。從框圖中可以看出，其主要由超聲發(fā)射電路、通道選擇、放大濾波、數(shù)據(jù)采集壓縮、卡內(nèi)微處理器、USB接口等部分組成。
　　四通道采用分時(shí)工作方式。四個(gè)通道分時(shí)進(jìn)行超聲發(fā)射，回波信號經(jīng)過通道選擇開關(guān)后進(jìn)行信號放大與帶通濾波，然后在FPGA的控制下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)實(shí)時(shí)壓縮后存入FPGA內(nèi)部的雙端口RAM中，然后由卡上的微處理器讀取數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行數(shù)字濾波后通過USB接口向上位PC機(jī)傳送。

2 超聲波發(fā)射電路
　　四通道超聲探傷卡所具有的四組發(fā)射電路是完全相同的，采用分時(shí)工作方式。通常情況下，此四路發(fā)射電路被設(shè)置為重復(fù)工作方式，其重復(fù)頻率以及探頭的激活順序由用戶根據(jù)鋼板的厚度等具體情況在微型計(jì)算機(jī)的主界面參數(shù)設(shè)置項(xiàng)中設(shè)定，初始化時(shí)再傳入超聲探傷卡的控制系統(tǒng)中。發(fā)射電路的激活是由FPGA來完成的，當(dāng)FPGA輸出的窄脈沖加在某一發(fā)射電路上時(shí)，該發(fā)射電路便開始工作。超聲發(fā)射電路主要用于產(chǎn)生高壓窄脈沖信號(400V)，此高壓窄脈沖信號加載在超聲探頭的壓電晶片上，將電能轉(zhuǎn)換為聲能(機(jī)械能)而產(chǎn)生超聲波信號。單個(gè)通道的超聲波信號發(fā)射電路如圖2所示。ICL7667是二通道的單功率場效應(yīng)管驅(qū)動器，可將微弱的TTL輸入信號轉(zhuǎn)換為高電壓/強(qiáng)電流輸出，轉(zhuǎn)換速度高。該電路的工作原理為：在沒有發(fā)射脈沖時(shí)，高壓電源通過R4、R2對C2充電，使其兩端的電壓差達(dá)到+400V。發(fā)射脈沖到達(dá)后，場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，C2通過Q1放電。由于電容兩端的電壓不能突變，使得D2的輸出端電位在瞬間約為-400V，這個(gè)負(fù)脈沖作用于超聲探頭，使其產(chǎn)生壓電變換，發(fā)射超聲波。

3 回波通道選擇
　　由于在同一時(shí)刻只能選用一路(也只有一路)回波信號，因而選用了MAX4141芯片來完成回波信號的選擇。MAX4141是由MAXIM公司生產(chǎn)的一款寬頻帶(330MHz,700V/μs)、帶緩沖放大器的四選一多路分配器芯片，它不但具有非常快的開關(guān)切換速率,而且具有高輸入、低輸出阻抗的特點(diǎn)，從而使回波信號可以充分地加載到下一級的可編程增益放大器上。回波信號選通電路如圖3所示。Siganl In0~Siganl In3分別對應(yīng)四路探頭的回波信號，Signal Out 為經(jīng)過緩沖驅(qū)動及阻抗變換后的回波信號。單片機(jī)P0口給出的兩個(gè)信號線用于MAX4141的通道選擇。其具體工作情況如表1所示。

4 高頻放大電路
　　回波信號通常比較微弱，故采用高頻放大電路來對回波信號進(jìn)行放大。由于測試的對象(鋼板厚度)不同，所以回波信號的強(qiáng)弱也不定，因此在設(shè)計(jì)高頻放大電路時(shí)，將其設(shè)計(jì)成可以動態(tài)控制增益值的程控放大電路，通過MCU對其增益進(jìn)行動態(tài)控制。在增益放大電路的設(shè)計(jì)中，選用了可變增益、低噪聲運(yùn)算放大器AD603，其可實(shí)現(xiàn)dB形式的線性增益，每伏電壓可有40dB的增益值。增益范圍可通過對其引腳的不同連接實(shí)現(xiàn)兩種方式的選擇，即-11dB～+31dB(帶寬90MHz)和0dB～+40dB(帶寬30MHz)。在設(shè)計(jì)中，采用兩塊AD603芯片通過二級級聯(lián)來構(gòu)成程控增益放大電路，第一級設(shè)置成-10dB～+30dB的增益范圍，第二級設(shè)置成0dB～+40dB的增益范圍。二級之間采用交流耦合方式，以避免前級直流電壓的漂移經(jīng)后級放大后淹沒了有用的回波信號。增益控制電壓(Gain Control Voltage)由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來控制。本設(shè)計(jì)中電路連接如圖4所示，電路的增益范圍為-10dB～+70dB，對于中厚鋼板探傷，完全可滿足設(shè)計(jì)要求。圖中VREF為D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考電壓放大兩倍后的輸出，其值為2.4V，由于AD603的電壓增益控制端對微小的電壓變化很敏感，所以在電路的設(shè)計(jì)中每一級都加上了濾波電容，以克服干擾信號對電壓增益的影響。
5 帶通濾波電路
　　帶通濾波電路是用來對回波信號放大過程中引入的噪聲進(jìn)行濾除。由于本超聲探傷卡具有四個(gè)通道，每個(gè)通道所用超聲探頭不一定相同，同時(shí)同一通道也可更換不同的超聲探頭，所以只用一種濾波電路的濾波效果不會很好；又由于超聲探頭的發(fā)射頻率范圍較寬，一般在400kHz～10MHz之間，故在本研究中，設(shè)計(jì)了兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz，可由單片機(jī)通過驅(qū)動繼電器來選通，具體電路如圖5所示。

6 FPGA功能設(shè)計(jì)
　　FPGA是本檢測系統(tǒng)中用作數(shù)字信號處理的核心部件，借助其用戶可編程特性及其很高的內(nèi)部時(shí)鐘頻率，設(shè)計(jì)了專用于超聲檢測的數(shù)據(jù)處理芯片，使得整個(gè)檢測系統(tǒng)的檢測速度大大提高。FPGA在本系統(tǒng)中具有非常重要的地位，一些數(shù)據(jù)信號處理都是通過它來完成的，其內(nèi)部功能框圖如圖6所示。從圖中可以看出，F(xiàn)PGA主要由窄脈沖產(chǎn)生采樣延時(shí)模塊、參數(shù)寄存器模塊、數(shù)據(jù)采集壓縮模塊、雙端口RAM模塊以及缺陷自動判斷模塊組成。其具體工作原理見參考文獻(xiàn)^[3]。

7 微處理器與USB接口
　　整個(gè)板卡的工作由微處理器(MCU)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中上位PC機(jī)將控制參數(shù)傳遞給MCU，包括延時(shí)參數(shù)、增益值、判傷DAC曲線、濾波器選擇等，然后由MCU將這些參數(shù)分別傳遞給FPGA、增益控制器(D/A轉(zhuǎn)換器)以實(shí)現(xiàn)板卡控制。此外，MCU還將對FPGA采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，以改善信噪比。
　　MCU與上位PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送是通過USB接口實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)中采用了PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，其性價(jià)比高，工作穩(wěn)定可靠，超聲回波信號最終傳入上位PC機(jī)進(jìn)行顯示及缺陷分析。
　　本文介紹了一種用于超聲無損檢測的四通道超聲探傷卡的硬件設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了用于回波信號處理及缺陷自動判斷的FPGA芯片，大大地提高了檢測速度。該板卡可靈活地用于構(gòu)建各種多通道超聲探傷設(shè)備。
參考文獻(xiàn)
1 Xilinx.The Programmable Logic Data Book. 1999, 2000
2 Carter. J W. Digital Designing with Programmable Logic Devices.NJ:Prentice Hall,1997
3 Li X, Dong JW, Yu XY et al. Measuring System of the Level of Oilcan Based on Balance Principle. 2nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology,2002.8， Jinan，China