基于PCI的超聲采集卡設(shè)計(jì)

楊澤宇，張艷花，楊 錄，李文強(qiáng)

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

超聲無損探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，超聲信號采集并處理是關(guān)鍵性的技術(shù)之一。數(shù)據(jù)采集卡作為前端模擬超聲信號和微機(jī)處理器的接口，在超聲探傷系統(tǒng)中擁有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)超聲采集系統(tǒng)采用ISA（Industrial Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線）總線傳輸數(shù)據(jù)，其地址總線寬度為24位，數(shù)據(jù)總線寬度為16位，總線時(shí)鐘8MHz。隨著現(xiàn)代無損檢測技術(shù)的發(fā)展，對超聲探傷系統(tǒng)的要求也越來越高，采集卡技術(shù)也同樣隨之發(fā)展。PCI（Peripheral Component Interconnect）是一種由英特爾公司1991年推出的局部總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線穩(wěn)定度高，通用性強(qiáng)，傳輸速率可達(dá)132MB/s，符合現(xiàn)在超聲探傷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚?、高效、高穩(wěn)定性要求。然而PCI總線傳輸相對復(fù)雜，對板卡設(shè)計(jì)者的要求較高。采集卡的布線，驅(qū)動程序編寫，數(shù)據(jù)傳輸方式等諸多方面的因素都會對PCI的傳輸造成影響。

在普通超聲探傷中，對于某種試件的傷的判斷往往只需要判斷在觸發(fā)信號發(fā)出后某段或某幾段固定時(shí)間內(nèi)的回波，而不用將所有的回波采樣回傳。通過在超聲數(shù)據(jù)采集卡的前端對信號進(jìn)行一些處理以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，不但減輕了PCI總線的負(fù)擔(dān)縮短上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，同時(shí)降低了探傷系統(tǒng)中總線傳輸設(shè)計(jì)難度，有效縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。對于采集卡的數(shù)據(jù)采集，總體來說可以分成4個(gè)部分:信號的輸入、信號的采集、信號的存儲和信號的傳輸;在這其中，對信號的采集和處理是一個(gè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)［1］。

1.1 設(shè)計(jì)原理

超聲檢測一般是由前端傳感器發(fā)射并接收超聲波，然后通過對回波信號進(jìn)行處理，對一個(gè)試件進(jìn)行檢測和判斷。在均勻的材料中，缺陷的存在會造成材料的不連續(xù)，從而造成聲阻抗的不一致。超聲波入射后如果遇到缺陷，就會因?yàn)槁曌杩共灰恢露a(chǎn)生反射，這反射波信號被捕捉采集，就能判斷出缺陷。

1.2 信號的采集及傳輸

大多超聲探傷是對大量同一型號試件的重復(fù)檢測。因?yàn)樾螤?、材質(zhì)都被固定，所以試件上缺陷回波信號的時(shí)間范圍及幅度是確定的，完全可以通過提取回波信號的時(shí)間特征和幅度特征來作為判傷參考依據(jù)［2，3］。依據(jù)上述原理，采用了如圖2所示的方法對信號進(jìn)行采集。

圖1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 超聲信號采集圖示

前端接收的回波信號依次通過信號放大電路、峰值保持電路、通道選擇電路、AD采樣電路，最后通過CPLD傳入RAM中保存。

2 模擬信號的采集

板卡模擬信號數(shù)據(jù)采集由程控放大電路、峰值保持電路、通道選擇電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。

2.1 程控放大電路

程控放大采用8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片Tlc5628c與美國Analog Devices公司生產(chǎn)的壓控放大器 AD603來實(shí)現(xiàn)。Tlc5628c可以通過編程產(chǎn)生0～5 V的電壓信號，將由Tlc5628c得到的可控電壓連到AD603的增益控制端，即可實(shí)現(xiàn)對前端回波信號的增益可調(diào)放大。

2.2 峰值保持電路

將通過放大電路的模擬輸入信號連接到峰值保持電路，在門信號的控制下保持段時(shí)間內(nèi)回波信號的峰值，多路信號的采集全部完成以后再選通多路模擬開關(guān)分別連接到模數(shù)采樣芯片，對各路信號進(jìn)行逐一采集。如圖3所示。

圖3 峰值保持電路

3 PCI傳輸設(shè)計(jì)

在采集卡設(shè)計(jì)中，CPLD是系統(tǒng)重要組成部分之一。在控制本地端各芯片協(xié)調(diào)同步運(yùn)作的同時(shí)，還為PCI橋芯片和本地端控制信號進(jìn)行譯碼、時(shí)序轉(zhuǎn)換等操作。

3.1 采集卡本地?cái)?shù)據(jù)存儲傳輸設(shè)計(jì)

采集卡上的數(shù)據(jù)傳輸采用了乒乓傳輸?shù)哪Ｊ剑丛诓杉ㄉ吓渲秒pRAM對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。乒乓傳輸可以使得數(shù)據(jù)的采集緩存和數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸能夠同步進(jìn)行:采集到的數(shù)據(jù)首先在存儲器A中保存，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)存儲器數(shù)據(jù)放滿數(shù)據(jù)自動存放到存儲器B中，同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸將第一塊存儲器中的數(shù)據(jù)向上傳輸，存儲器B滿了之后再存儲到存儲器A中，并將存儲器 B中的數(shù)據(jù)上傳，如此往復(fù)循環(huán)。IS64WV12816BLL是128Kx16高速 COMS型 SRAM，最快訪問時(shí)間可達(dá)12 ns、雙向三態(tài)傳輸，能夠滿足PCI傳輸?shù)囊螅?］。

3.2 驅(qū)動及軟件設(shè)計(jì)

在采集卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)好的驅(qū)動程序能有效提高傳輸速率、系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理效率。

WinDriver10是Jungo公司為 PCI、USB、ISA等接口對驅(qū)動開發(fā)提供的WinDriver系列軟件的最新版本。能夠很好地支持Windows XP等多種操作系統(tǒng)的底層硬件驅(qū)動開發(fā)。雖然效率略低于利用DDK，DriverStdio等方式進(jìn)行開發(fā)的驅(qū)動程序，但更加簡單、方便，為驅(qū)動開發(fā)者節(jié)省了大量時(shí)間與精力。WinDriver10軟件為許多芯片廠商提供了專門的芯片支持文件。本設(shè)計(jì)中PCI接口芯片采用了PLX公司的PLX9054，驅(qū)動程序的開發(fā)利用了WinDriver10目錄下專門為Plx器件編寫的plx_lib.c和plx_lib.h文件，其中包含最基本的對Plx器件進(jìn)行操作的函數(shù)與方法。同時(shí)，還給出了示例程序文件p9054_diag.c，驅(qū)動編寫者可以參考其進(jìn)行程序編寫。

上位機(jī)軟件使用VC 6.0（Visaulstudio 6.0）調(diào)用Win-Driver給出的函數(shù)進(jìn)行編寫，啟動軟件時(shí)，首先要對采集卡進(jìn)行初始化操作，步驟如下:

· 使用WD_DriverName（）和 WD_SetDeBugOption（）函數(shù)設(shè)置驅(qū)動名稱和WDC庫的調(diào)試選項(xiàng)。

·使用WD_Licence（）函數(shù)對驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行注冊操作。

·使用WDC_DrvierOpen（）函數(shù)打開驅(qū)動程序句柄并初始化WDC庫并使用 WDC_PciScanDevices（）函數(shù)查找符合要求設(shè)備。

·使用WDC_PciGetDeviceInfo（）獲取設(shè)備信息并對資源進(jìn)行分配。

· 使用WDC_PciDeviceOpen（）打開WDC設(shè)備句柄。

·最后使用DeviceInit（）函數(shù)對設(shè)備描述表等資源進(jìn)行初始化。

初始化設(shè)置完成后，就可以使用如PLX_ReadAddrLocal16（），PLX_WriteAddrLocal32（）等函數(shù)對采集卡進(jìn)行控制操作了。上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

當(dāng)采集操作啟動后會建立一個(gè)數(shù)據(jù)接收線程等待中斷到來，每當(dāng)該線程接收到中斷，會查看該中斷類型。當(dāng)中斷為本地中斷，表示采集卡中一個(gè)緩存器數(shù)據(jù)滿，申請進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這時(shí)上位機(jī)啟動DMA模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在DMA傳輸結(jié)束之后又會產(chǎn)生DMA中斷，當(dāng)數(shù)據(jù)接收線程接收到該中斷時(shí)，將會調(diào)用中斷調(diào)用函數(shù)，中斷調(diào)用函數(shù)又會調(diào)用中斷處理子函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理操作［5］。

圖4 上位機(jī)軟件流程圖

4 試驗(yàn)與結(jié)束語

使用WinDriver開發(fā)驅(qū)動程序后，上位機(jī)用VC6.0結(jié)合其提供的函數(shù)庫，編寫了如圖5的測試程序，可以對硬件進(jìn)行控制，進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸采集、規(guī)定采樣點(diǎn)數(shù)采集，控制壓控放大倍數(shù)等操作，數(shù)據(jù)傳輸最大速率達(dá)到了60 Mb/s，能夠滿足超聲檢測的需要。

本文較全面地介紹了基于PCI的超聲數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與開發(fā)方法。在檢測的過程中能夠?qū)崟r(shí)地將超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，并對前端進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過時(shí)間特征和幅值特征對傷的判斷也能較好地保證系統(tǒng)的靈敏度和分辨率。實(shí)現(xiàn)了一種基于PCI總線的超聲采集卡設(shè)計(jì)。

圖5 VC檢測程序

［1］習(xí)俊梅，朱杰斌，黃良兵，等.便攜式數(shù)字化超聲檢測［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（9）:18-19.

［2］韓焱，楊錄，王明泉.板波特征及其特征提取器［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，1996，10（2）:79-82.

［3］楊錄，宋文愛.細(xì)銅棒內(nèi)部缺陷超聲自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，15（4）:255-257.

［4］嚴(yán)其艷.基于PCI的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)2011，30（12）:10-15.

［5］馬昕暉，杜勝，姚靜波.基于PCI總線的動態(tài)測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，24（6）:491-496.