多通道超聲探傷總控系統(tǒng)的研究與設計

李卞俊，楊　錄

(中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

?

多通道超聲探傷總控系統(tǒng)的研究與設計

李卞俊，楊錄

(中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

摘要：針對目前市場上超聲探傷儀通道數(shù)少、檢測效率低的缺點，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，可實現(xiàn)單通道單點采樣，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性，并且利用Cypress USB芯片與上位機通信，提高了檢測速率與精度，適用于生產(chǎn)過程中的大批量、高效率檢測。實驗表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，批量大，有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞：超聲探傷；單點采樣；總控系統(tǒng)；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列

目前國內(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所研制的，單片機資源有限，而且執(zhí)行效率不高，不利于大批量的工件檢測[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，采樣的實時性是多通道超聲探傷系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。

1檢測方案與缺陷識別方法

本方案采用水浸式脈沖發(fā)射法，在檢測過程中，探頭會接收到多個波，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)整合適門選信號，選出存在的缺陷信號，根據(jù)缺陷信號進行判傷[3]。為了提高判傷的準確率，采用雙探頭檢測，如圖1所示。

圖1　檢測方案示意圖

超聲波在金屬材料中傳播時，材料中的不連續(xù)會對超聲波產(chǎn)生影響，實質(zhì)為材料特性對超聲波進行調(diào)制，因而，對透射波和反射波進行解調(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)由上位機軟件和下位機硬件系統(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，整個系統(tǒng)通過前端的發(fā)射部分向探頭發(fā)出觸發(fā)脈沖產(chǎn)生超聲始波信號，并接收探頭探測到的回波信號，通過后端的FPGA核心處理單元進行采樣控制，繼而通過USB芯片實現(xiàn)與上位機的通信，將探傷數(shù)據(jù)傳至上位PC機完成波形顯示等后期工作，同時還將上位機傳送的控制參數(shù)傳至探傷電路板實現(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)信號的控制下，產(chǎn)生激勵超聲探頭的高壓控制信號，從而實現(xiàn)了超聲波發(fā)射[6]。超聲波發(fā)射電路主要包括觸發(fā)信號產(chǎn)生電路和高壓脈沖電路。MOS管8N80的驅(qū)動電壓為12 V，然而采集與控制電路輸出為5 V的脈沖信號，不能夠驅(qū)動功率管，所以采用TC4427去驅(qū)動8N80工作，輸出端產(chǎn)生激勵探頭發(fā)射超聲波的負高壓脈沖。發(fā)射信號受FPGA芯片控制。

2.2超聲接收電路

為了提高電路的通用性，使設計的電路能應用于各種情況，在接收電路中設計了0～60 dB的衰減[7]。超聲發(fā)射接收電路能夠在門控信號下對超聲回波進行截取，只要閘門的前沿和寬度調(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內(nèi)超聲缺陷信號的最大值，最終根據(jù)最大值進行缺陷判定。

2.3信號采集卡電路

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

3FPGA下位機程序設計

FPGA下位機程序采用VerilogHDL語言，在Quartus II環(huán)境下完成開發(fā)，采用模塊化設計思想進行程序設計。本下位機系統(tǒng)分為五個模塊。整體模塊框圖如圖3所示。

圖3　FPGA模塊框圖

重點模塊如下：

3.1發(fā)射門控模塊

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)信號和門控信號。在檢波模式下，上位機選擇所選的通道給出觸發(fā)和門控信號，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)，時間間隔500 μs，相同通道之間間隔1 ms實現(xiàn)單通道1 kHz的采樣頻率。門控信號由每個通道在檢波模式下設置的參數(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子模塊。在檢波模式下，以觸發(fā)信號為基準，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)信號為基準延時50 μs采樣，每個通道單點采樣送至數(shù)據(jù)FIFO模塊，直至FIFO滿停止采樣，工作時序圖如圖4所示。CLK為時鐘信號，AFS為A組觸發(fā)信號，BFS為B組觸發(fā)信號，ADDR是通道地址，AD_CLK為ADC的時鐘脈沖，AD_OE為ADC的使能端，WRREQ是寫FIFO請求。

圖4　峰保單點采樣工作仿真時序圖

4上位機程序設計

上位機應用程序開發(fā)環(huán)境采用Visual Studio 2013，基于MFC庫開發(fā)。上位機分為四個功能模塊：檢波調(diào)試模塊、參數(shù)設置模塊、檢測模塊以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊[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庫函數(shù)開發(fā)，包括上位機的參數(shù)(包括通道選擇、增益、門前沿和門寬參數(shù)設置)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)進行檢波波形的顯示；參數(shù)設置模塊是用于上位機與PLC工控機通訊，采用串口通訊，包含工件的型號、采樣點數(shù)以及判傷參數(shù)的設置；檢測模塊是根據(jù)檢波調(diào)試模塊的參數(shù)設定進行峰保采樣，再將采樣數(shù)據(jù)算法處理進行判傷；數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊主要是基于Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，該模塊包含系統(tǒng)檢測時間、檢測員、產(chǎn)品類型、檢測工件數(shù)量、廢品個數(shù)以及系統(tǒng)使用統(tǒng)計信息，并具有檢測報告打印功能。該上位機人機界面友好，操作簡單。

5數(shù)據(jù)分析與處理

由于生產(chǎn)車間環(huán)境復雜、PLC控制系統(tǒng)影響和電機的干擾，導致采回的信號會存在噪聲，所以需要進一步的處理提取缺陷信號進行判傷。

經(jīng)分析數(shù)據(jù)可以看出，采回的信號存在奇異點，而且信號的基線也被抬高，如圖5(a)所示。對信號去奇異點，再對信號去除抬高的基線，最后對數(shù)據(jù)進行滑動平均處理并放大得到缺陷信號，就能夠有效地進行判傷。截取B探頭有傷部分信號為例，如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)處理

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

6總結(jié)

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

參考文獻

[1]蔣危平，田建新，王子誠.數(shù)字化超聲波探傷儀十五年技術(shù)進展[J].無損檢測,2004,26(3):145-148.

[2]李建.便攜式數(shù)字化超聲波檢測儀器的研究[D].西安：西安科技大學,2005.

[3]張剛.水浸超聲掃描檢測系統(tǒng)的設計[D].太原：中北大學,2012.

[4]楊順民.超聲在線檢測信號處理研究及其通用軟件平臺的研制[D].太原：中北大學,2005.

[5]王艷，韓嘯，張禮君.基于FPGA的數(shù)字超聲輪軸探傷儀硬件設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表,2011(2):65-67.

[6]李勇峰，楊錄，張艷花.超聲探傷儀收發(fā)電路的改進研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(7)：38-41.

[7]何光祖.基于USB2.0的多通道超聲檢測系統(tǒng)的設計[D].太原：中北大學,2014.

[8]EXAR Exar Corporation.MP7690A DATASHEET[Z].1998.

[9]朱晛，沈祥華.基于FPGA的八通道超聲探傷系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2013,21(9):164-166.

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

中圖分類號：TP274.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674- 4578(2016)01- 0083- 02

作者簡介：李卞俊(1990- )，男，江蘇人，碩士研究生，主要從事工作：超聲無損檢測與信號處理。

收稿日期：2015-09-30