基于DSP+FPGA的超声波相控阵检测系统的设计

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THE   DESIGN   OF ULtrSONIC   PHASED   ARRAY   TESTSING   SYSTEM   
摘要：本文设计了一种基于DSP+FPGA的超声波相控阵检测系统，较为详细的介绍了该硬件系统的设计和软件编程方法，主要介绍了系统主控硬件的结构以及软件控制系统的数据流向。
关键字：相控阵 超声检测 数据流
Abstract： This  paper  designed  phased arrays system, which is based on DSP and FPGA. It introduced the methods of hardware design and software programming in detail. The  structure  of system mastery  hardware  and  data  stream of  software-controlled system were mostly illustrated in  this  article.  
Keyword：phased arrays  ultrasonic testing  data stream


0.引言

相控阵超声波检测系统利用计算机技术和电子线路原理，采用可编程芯片和数字信号处理器，通过软件设定，改变探伤波波束的偏转和聚焦深度，获取探伤检测信息，并通过标准的图形界面实时的显示缺陷的三维位置和探伤接收波形。

1．主控系统硬件
主控系统硬件如图1所示，其包括：(1)发射板接受板共计9块，其中一块专用于发射接收横向裂缝信号，其硬件结构与其他8块板相同。每块发射接受板的发射部分具有16路发射单元（包括发射脉冲整形电路、MOS驱动电路），按设计规定次序连接16个晶体，每块板的发射部分由该板上的CPLD按软件规定的时序发出16路不同延时的脉冲，经4选1选通开关选通后，激发相应的发射回路。每块发射接受板的接受部分同样对应16路晶体，经4选1开关选通后转为4路接受单元。信号进入各接受单元后，首先经过可控增益的低噪声放大器，然后再作A/D转换，由于A/D转换的起始脉冲时间不同（由各路的CPLD发出）相应地即作了接收延时，其延时量由主控计算机在测试前，通过总线已给予各级FPGA设置。在A/D转换数据达到测试所需的字节后，在各级FPGA的统一时钟下同时将接受到的数据进行D/A转换，并将模拟信号送出板外进行模拟加。(2)综合板一块，具有32路的总模拟加电路、激励电源电压控制信号产生器电路、4段BPF滤波选择电路、统一时钟信号产生电路，电机行走控制给定脉冲电路。(3)总A/D转换板卡一块，其要求为：100MH，8位数据精度，可由外同步脉冲触发同步。可由控制端控制A/D转换，并往RAM内按顺序写入数据，如无此信号则停止读写。可由清零控制端输入2-10微秒的脉冲，脉冲过后，写入数据的指针回零地址开始写入。并要求有读出数据子程序，可从输入数据首地址读完全部转换的数据止。发射板和接受板的数据总线和地址总线符合工业计算机ISA总线标准和PCI总线标准。发射和接受可调延迟精度为2ns，发射和接受大部采用数字延迟电路，数字延迟电路以10ns以上由软件程序控制，2ns-10ns由数字延迟电路（接受部分为模拟延迟电路）通过选通控制，时间控制长度为32000ns。信号放大带宽2-6MHz，4-8MHz，6-10MHz，和直通带四种可程序设置。脉冲输出：50V—200V；脉冲宽度：20ns—500ns放大器动态范围：60dB可调/通道；
总增益：80dB。



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2．系统软件设计

2．1总控制软件系统数据流程



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总控制软件系统可分为放在上位机上的人机数据输入界面软件和检测结果图形显示软件 ，放在工业控制机CPU上的各类控制数学模型软件，数据的输入和输出软件，以及放在各板卡CPLD上的各声束发射接受实时控制软件等。详见图2示意。
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2.2人机数据输入界面



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以及相应的计算工作，提供下位机进行参数计算的依据；此外，本软件还提供用户对存储数据库进行方便调整和扩充的功能，从而提高系统的适应范围。并提供高级用户进行超声检测工艺设计和试验的工具；本软件的主要任务是提供用户一个方便的操作环境，完成相控检测所必须的参数设置最后提供整个相控系统控制软件的集         
成环境。         
系统的设计目标为:              
(1) 系统数据库扩充：提供用户对系统未包含的坡口类型、楔块类型、晶阵类型进行参数输入的功能；
(2) 运行参数设置和计算：提供用户对运行参数的设置界面，并计算相应的运行参数;
(3) 数据传输：按照规定的格式提供下位机数据计算和硬件读写控制软件所需要的控制报文、提供上位机数据接受和数据处理控制软件所需的管道参数信息；
(4)扫查参数的图形显示：提供用户扫查设置方案的直观显示功能；
(5)超声工艺设计和试验：提供系统高级用户进行工艺试验研究的工具；
(6)系统帮助：Windows95风格的在线帮助系统；
(7)数据安全性：设置错误陷井，任何对数据库的重要操作均应给予确认，防止误操作对数据库的修改及系统的非正常退出；
(8)系统操作权限的界定：设置系统操作权限，如用户权限不允许，则系统将禁止用户进入相应的操作界面；
(9)打印功能：打印相应的数据以及设置图形。
整个程序采用可视化编程技术，利用菜单和快捷方式实现模块之间的转换，数据之间的耦合由程序内部实现，用户只需在需要输入数据处进行输入即可。程序设计时本着降低复杂度的原则，对问题进行了分析、归纳和简化，将底层数据库简化为两个（预计），一个是本软件的操作数据库，一个是与上位机数据接受和数据处理控制软件集成后整体参数存储数据库（待协商），并提供多个操作数据表。
由于本系统是一个多操作功能的综合系统，因此根据用户的不同需求，系统内部数据流会以不同的方式出现。但是在本软件中最为核心的操作功能只有两个就是参数设置计算和工艺研究。下面就此两个操作功能模块作一下数据流分析。
用户信息输入后，经过系统分析，系统会从系统操作权限表中提取用户的操作权限信息，根据用户的使用目的决定用户的操作是否可行。如权限判定通过，用户可以进行权限允许下的操作。其数据流向图如图3所示。                                    

3.系统测试
3.1静态测试
在研制制作阶段，工艺调试组的科技人员已设计制作了大量的测试试块，和做了大量的模拟测试试验，为了研制制作阶段完成后的静态调试阶段的工作提前做了技术和物质的准备。
首先进行了主控系统的硬件性能的测试：
(1)对各板卡中的电路错误以及有问题的元件进行了测试和纠正。
(2)对系统发射接受时间的精确性进行了测试和电路调整。
(3)对32路放大器进行了测试和放大倍数一致性的调整以及电路抗干扰性能的改进。
进行了结合软件在测试块上进行的测试：
(1)聚焦性能的测试和软件的改进。
(2)各声速的单独运行和循环组合运行的测试和软件的改进
3.2动态测试
动态试验第一阶段在中国石油天然气管道局焊接中心进行，在已进行过测试并标定了缺陷位置和性质的管道上进行测试小车正式爬行测试，以对本系统的判断值进行标定，并对系统的各项参数进行硬件和软件上的修改。

4．结束语

本文给出一种了基于DSP和FPGA的相控阵超声波检测系统的设计方案。详细论述了主控硬件电路系统的结构和控制系统软件的数据流程。该系统在设计并研制成功后的实际测试过程中取得了良好的效果，但系统依然有许多值得提高的地方，希望在下一代产品研制中完善。


本文作者创新点: 本发明基于计算机总线可用于相控阵超声检测的硬件平台；其特点是以高压驱动总线、模拟数据总线和计算机控制总线（PCI和ISA）。三种总线为基础，由自主研发的发射控制，接收控制，综合控制，高速A/D和数字全加等部分组成。采用基于PC的PCI总线或嵌入式系统作为控制核心。不同种类，不同数量的板卡，组成不同的检测系统。将相控阵超声检测的各个硬件模块有机地结合起来，使得使用者可以根据不同检测方案的需要，不同的现场工艺要求，方便灵活地组合成实际所需的相控阵超声检测硬件系统。从而使相控阵超声检测的硬件系统实现智能化、模块化和小型化。该硬件平台不仅能实现相控阵超声检测也可以实现普通的超声检测。


参考文献:
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[6]Wstenberg H, Erhard A, Schenk G. Scanning modes at the application of ultrasonic phased array inspection systems[J/OL].www.ndt.net,2001,6(4).

作者简介：
蔡锦达,（1963—）,男（汉族）上海人，上海理工大学机械电子工程系，硕士生导师,主要研究方向为机械电子工程
杨翰(1981—)，男（汉族），江苏常熟人，上海理工大学机械电子工程系，硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程
作者通信地址：上海市军工路516号上海理工大学四公寓2号楼301#杨翰收
邮编：200093   上一页  [1] [2]
         
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