具有預(yù)觸發(fā)采集功能的超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊文博，劉培洵，郭彥雙

（中國地震局地質(zhì)研究所 北京100029）

具有預(yù)觸發(fā)采集功能的超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊文博，劉培洵，郭彥雙

（中國地震局地質(zhì)研究所 北京100029）

針對軟件自動測定巖石樣品的超聲波速需要精確測算超聲波到時(shí)時(shí)刻的要求，設(shè)計(jì)了具有預(yù)觸發(fā)采集功能的超聲波檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的預(yù)觸發(fā)采集功能可使軟件依據(jù)預(yù)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)的噪聲水平正確判定超聲波到時(shí)時(shí)刻。系統(tǒng)采用幻象電源供電的前置放大器調(diào)理超聲波信號，可實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)程傳輸和輸入阻抗匹配。此外，系統(tǒng)基于FPGA方式主控，易于更改和擴(kuò)展功能；并且借助USB2.0接口進(jìn)行控制命令和采集數(shù)據(jù)的雙向高速傳輸。超聲波檢測系統(tǒng)的輸入過壓保護(hù)、可調(diào)采樣率、可調(diào)采樣總長度和可調(diào)預(yù)觸發(fā)長度等特點(diǎn)拓寬了檢測系統(tǒng)的使用范圍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測表明：該系統(tǒng)的預(yù)觸發(fā)采集功能可提高軟件自動判讀超聲波到時(shí)時(shí)刻的準(zhǔn)確度，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

超聲波；預(yù)觸發(fā)采集；前置放大；幻象供電；USB2.0接口

軟件自動測定特定巖石樣品的超聲波速時(shí)，超聲波的到時(shí)時(shí)刻需要盡可能精確[1-3]。通常采集卡的觸發(fā)后采集功能并不能有效地判斷超聲波到時(shí)時(shí)刻位置，這往往是由于采集卡本身噪聲疊加在超聲波信號中導(dǎo)致超聲波到時(shí)時(shí)刻位置判斷錯(cuò)誤；若計(jì)算軟件能夠得到觸發(fā)前時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)基線噪聲大小，則可依據(jù)基線噪聲水平準(zhǔn)確判定超聲波到時(shí)時(shí)刻，大大減小錯(cuò)誤判斷超聲波到時(shí)時(shí)刻的幾率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1（a）所示，軟件在觸發(fā)時(shí)刻（發(fā)射超聲波到巖石樣品時(shí)刻）采集超聲波信號，采集卡本體噪聲會大大增加誤判超聲波到時(shí)時(shí)刻的幾率，若如圖1（b）中，軟件在觸發(fā)時(shí)刻前便采集到超聲波的基線噪聲數(shù)據(jù)，則會大大降低超聲波到時(shí)時(shí)刻的誤判幾率?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種具有預(yù)觸發(fā)采集功能的超聲波檢測系統(tǒng)，該超聲波檢測系統(tǒng)應(yīng)用于巖石的超聲波速測定時(shí)可以提高軟件自動判讀超聲波到時(shí)時(shí)刻的正確率，且其具備幻象供電[4-5]方式的前置放大器，輸1入過壓保護(hù)、高轉(zhuǎn)換速率高分辨率、低噪聲和采樣率連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)。超聲檢測系統(tǒng)采用FPGA主控外圍芯片的方式進(jìn)行工作，這樣易于更改和擴(kuò)展功能[6-7]；cy7c68013A芯片接收上位機(jī)命令并傳送給FPGA，F(xiàn)PGA解析命令后控制外圍高速ADC芯片和存儲器芯片進(jìn)行超聲波信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換和存儲，之后FPGA再將外圍存儲器里的數(shù)據(jù)通過cy7c68013A芯片回傳給上位機(jī)。系統(tǒng)整體的架構(gòu)見圖2。

圖1 超聲預(yù)觸發(fā)采集與觸發(fā)后采集比較圖

圖2 超聲波檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

2 超聲波檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 超聲前置放大電路

本文設(shè)計(jì)的超聲前置放大電路[8-9]采用幻象電源進(jìn)行供電；輸入電源和輸出信號均通過單根同軸電纜進(jìn)行傳輸，這樣既減少了接口，節(jié)省了成本，又可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸。前置放大電路核心部分采用三級同相放大，第一級采用AD8030運(yùn)放放大信號20 dB，第二級和第三級總的信號放大增益為20 dB，各級間采用交流方式耦合。放大后的信號由ADA4805-1組成的兩階巴特沃斯低通濾波器[10]濾除額外的噪聲。輸出信號和輸入電源由電容C1和電感L1隔離開來，且串?dāng)_到L1支路的交流放大信號和電源紋波噪聲和串?dāng)_被L1端接的大電容C2濾除。前置放大電路的輸入端集成了輸入過壓保護(hù)電路，可防止高壓輸入損壞器件。整個(gè)前置放大電路示意圖如圖3所示。

前置放大電路的直流輸入阻抗設(shè)定為Ri=1 kΩ，輸出阻抗Ro=1 kΩ，盡量減少輸入端耦合進(jìn)來的噪聲。放大電路帶寬的下限頻率滿足公式（1），上限頻率滿足公式（2），此處設(shè)定為10 kHz～2 MHz。為防止輸入電源紋波噪聲在P2信號輸出端耦合到交流放大信號中去，設(shè)計(jì)需要將前置放大電路的交流放大下限截止頻率Fmin設(shè)為10倍的L1和C2組成的低通濾波器截止頻率。

2.2 ADC接口電路

圖3 超聲前置放大電路

設(shè)計(jì)采用Linear公司的LTC2249作為整個(gè)檢測系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換部件，該芯片最高工頻率為80 MHz，具有14位轉(zhuǎn)換位數(shù)。芯片在時(shí)鐘的上升沿將外部輸入的差分模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為此設(shè)計(jì)需要將前置放大器輸出的調(diào)制信號經(jīng)過圖4中由C5、R5、R6和L2組成解調(diào)器分離出前置放大器電源和超聲交流放大信號，之后LT6600芯片再將超聲交流放大信號轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m電平的差分輸入信號。主控FPGA芯片XC3S200提供給LTC2249所需的高質(zhì)量低抖動轉(zhuǎn)換時(shí)鐘CLK，同時(shí)讀取ADC轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果并存入指定的外部存儲器中。

圖4所示的ADC接口電路示意圖中，R3、R4和C2、C7組成的抗混疊濾波器[11]可避免信號帶寬外的噪聲耦合入ADC轉(zhuǎn)換芯片；R5、R6調(diào)整前置放大器輸入信號電平在-1～+1 V內(nèi)，且使得LT6600輸入端阻抗為1 kΩ，從而與2.1節(jié)中的前置放大器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖4 ADC接口電路

2.3 預(yù)觸發(fā)采集功能的實(shí)現(xiàn)

預(yù)觸發(fā)采集模塊分為兩部分：1）ADC數(shù)據(jù)寫入模塊；2）傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊。首先劃定兩個(gè)固定的存儲區(qū)域sram1和sram2，長度都為L，sram1地址范圍為0～L1，sram2地址范圍為L1+1～L2。系統(tǒng)復(fù)位后，F(xiàn)PGA先不間斷且循環(huán)地將ADC芯片轉(zhuǎn)換的14位數(shù)據(jù)寫入sram1中，若在sram1的地址S1點(diǎn)處FPGA接收到外部輸入的觸發(fā)信號，則FPGA將繼續(xù)往地址S1之后的存儲區(qū)域?qū)懭階DC數(shù)據(jù)直到sram1地址L1處；同時(shí)，F(xiàn)PGA將寫入空間轉(zhuǎn)換到sram2，并重復(fù)與sram1相同的操作。此時(shí)，sram1中地址0～S1的數(shù)據(jù)為觸發(fā)前采集數(shù)據(jù)，地址S1+1～L1的數(shù)據(jù)則為觸發(fā)后采集數(shù)據(jù)。

單次預(yù)觸發(fā)采集結(jié)束后，上位機(jī)通過USB2.0接口將采集數(shù)據(jù)讀取到指定的PC存儲區(qū)域中去。FPGA中USB雙向傳輸模塊讀取采集后的數(shù)據(jù)，用Slavefifo方式傳遞給上位機(jī)[12-13]；傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊管理sram1或sram2中的數(shù)據(jù)并傳遞給USB雙向傳輸模塊。FPGA程序在ADC數(shù)據(jù)寫入模塊中定義一個(gè)二進(jìn)制的當(dāng)前存儲區(qū)域標(biāo)志wr_flag，每當(dāng)ADC數(shù)據(jù)寫入模塊中的存儲區(qū)域改變時(shí)，wr_flag值就改變一次，傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊檢測到wr_flag跳變時(shí)，就由idel狀態(tài)進(jìn)入到triger狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)單周期的USB讀取觸發(fā)信號，觸發(fā)USB雙向傳輸模塊從USB傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊中讀取數(shù)據(jù)并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，與此同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊由triger狀態(tài)進(jìn)入到active狀態(tài)輸出存儲數(shù)據(jù)，完畢之后，再返回到idel狀態(tài)等待下一次wr_flag跳變。傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊的狀態(tài)機(jī)示意圖如圖5所示。機(jī)傳送的控制命令進(jìn)而調(diào)整采樣時(shí)鐘頻率、采樣總長度、預(yù)觸發(fā)采樣長度等參數(shù)；上行傳輸模塊在檢測到傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號后，開始傳輸ADC采樣數(shù)據(jù)到PC機(jī)中。整個(gè)USB2.0雙向傳輸模塊的狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

圖5 傳輸數(shù)據(jù)讀取模塊狀態(tài)機(jī)

圖6 USB2.0雙向傳輸模塊狀態(tài)機(jī)

2.4 USB2.0高速雙向傳輸功能的實(shí)現(xiàn)

超聲波檢測系統(tǒng)采用USB2.0接口進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸：1、下行傳輸模塊-上位機(jī)軟件傳輸控制命令到FPGA芯片；2、上行傳輸模塊-FPGA芯片傳輸ADC采樣數(shù)據(jù)到PC機(jī)。為最大程度地提高雙向數(shù)據(jù)傳送速率，USB2.0芯片CY7C68013A與XC3S200之間采用slavefifo方式通信；下行傳輸模塊解析PC

3 試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)采用超聲波一發(fā)一收[14]工作方式；Olympus NDT公司的5077PR高壓脈沖發(fā)生器生成200V的負(fù)高壓脈沖激勵(lì)發(fā)射換能器在巖石樣品中產(chǎn)生超聲波，超聲波檢測系統(tǒng)檢測超聲波信號。實(shí)驗(yàn)平臺和系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 USB2.0雙向傳輸模塊狀態(tài)機(jī)

圖7（a）中兩塊楔形大理石組成的平臺中間預(yù)留20 cm寬度的斷層空間模擬野外的天然地震斷層帶[15-16]，斷層中填充環(huán)氧樹脂來模擬地震斷層中的斷層泥，整個(gè)平臺的寬度為400 mm，長度為743.4 mm，高度為401 mm。圖7（b）為整個(gè)平臺的側(cè)面示意圖，選取圖7（b）中 A 點(diǎn)（523.4，260，373）位置埋藏的超聲發(fā)射換能器激勵(lì)超聲波用以模擬天然地震的震源，超聲波檢測系統(tǒng)檢測在B點(diǎn)（130，200，400）位置粘貼的超聲接收換能器接收到的超聲波信號。圖7（c）為本文設(shè)計(jì)的超聲波檢測系統(tǒng)實(shí)物圖。

超聲波檢測系統(tǒng)的采樣率設(shè)定為50 MHz，采樣總長度為256K字，預(yù)觸發(fā)采樣長度為采樣總長度為的20%，則得到圖8（a）所示的超聲波信號。圖8（a）中，豎線P點(diǎn)之前的波形為預(yù)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)，P點(diǎn)之后的波形為觸發(fā)后采集數(shù)據(jù)，同時(shí)超聲波檢測系統(tǒng)在P點(diǎn)位置觸發(fā)5077PR發(fā)射超聲波。由圖8（a）知，檢測到的超聲波信號具有較高的信噪比，檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件可依據(jù)P點(diǎn)之前預(yù)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)估算超聲波信號背景噪聲水平，從而自動準(zhǔn)確地區(qū)分P點(diǎn)之后的背景噪聲與超聲波到時(shí)時(shí)刻F。

從圖8（b）中F點(diǎn)反映的超聲波到時(shí)時(shí)刻可知，超聲接收換能器在1 116.66 μs處接收到超聲波信號，距離 P點(diǎn)的時(shí)間差為65.66 μs。圖8（b）中 AB 兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離d=398.864 mm，由此計(jì)算得巖石樣品的超聲波速為6074.688 m/s，符合實(shí)際的大理石中的超聲波波速范圍，這解決了觸發(fā)后采集所帶來的超聲波到時(shí)時(shí)刻定位不準(zhǔn)確的問題。

圖8 超聲波檢測波形

4 結(jié) 論

1）所研制的超聲前置放大器采用幻象電源供電，這使得輸入電源和輸出交流信號可通過單根同軸電纜傳輸，且其具有輸入過壓保護(hù)，低輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)，可與后置ADC接口電路輸入端實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2）所研制的超聲波檢測系統(tǒng)采用FPGA主控架構(gòu)模式，易于更改和擴(kuò)展功能，且具有最高80MHz采樣速率、14位數(shù)據(jù)分辨率、USB2.0雙向傳輸接口等特點(diǎn)，滿足高速檢測巖石中超聲波波速的要求。

3）試驗(yàn)研究結(jié)果表明，所研制的超聲波檢測系統(tǒng)的預(yù)觸發(fā)采集功能能正確地采集觸發(fā)前超聲數(shù)據(jù)與觸發(fā)后超聲數(shù)據(jù)，且檢測到的超聲波具有較高的信噪比，能幫助上位機(jī)計(jì)算軟件自動正確定位超聲波到時(shí)時(shí)刻。

[1]趙江海，楊慧，顧菊平，等.基于短時(shí)能量的聲發(fā)射源定位方法研究[J].振動與沖擊，2013，32（23）:110-114.

[2]鮮曉東，袁雙，紀(jì)松林.基于消噪處理巖石聲發(fā)射信號到達(dá)時(shí)間的識別方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015（S1）:100-106.

[3]陳建，孫曉穎，林琳.一種高精度超聲波到達(dá)時(shí)刻的檢測方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（11）:2422-2428.

[4]郭朝陽.多分層試井儀數(shù)傳系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2011.

[5]孫濤，韓東軒，羅守品，等.聲發(fā)射檢測儀前置放大器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（1）:33-35.

[6]何存富，周進(jìn)節(jié)，吳斌，等.管道導(dǎo)波時(shí)反聚焦檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（2）:342-348.

[7]丁向輝，李平.基于FPGA和DSP的超聲波風(fēng)向風(fēng)速測量系統(tǒng)[J].應(yīng)用聲學(xué)，2011，30（1）:46-52.

[8]史瑞超，劉紅星，郁健，等.壓電信號采集中放大電路前置級的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）:179-181.

[9]韓娜，李松松，李響.電磁超聲換能器的前置放大電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（20）:156-158.

[10]趙曉群，張潔.巴特沃斯低通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法研究[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，15（1）:72-75.

[11]文智江，朱名日.高頻信號直接采樣系統(tǒng)中的抗混疊濾波器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（2）:27-29.

[12]劉春雅，程旭，趙輝昌，等.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（1）:51-54.

[13]王海濱，劉寶華，解傳軍，等.模擬器中基于Slave FIFO模式USB數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（1）:134-136.

[14]劉增華，王娜，何存富，等.基于壓電陶瓷片的Lamb波單模態(tài)激勵(lì)及缺陷檢測的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（10）:1453-1458.

[15]馬瑾，郭彥雙.失穩(wěn)前斷層加速協(xié)同化的實(shí)驗(yàn)室證據(jù)和地震實(shí)例[J].地震地質(zhì)，2014，36（3）:547-561.

[16]云龍，郭彥雙，馬瑾.5°拐折斷層在黏滑過程中物理場演化與交替活動的實(shí)驗(yàn)研究[J].地震地質(zhì)，2011，33（2）:356-368.

Design and implementation of ultrasound inspection system with pre trigger acquisition function

QI Wen-bo，LIU Pei-xun，GUO Yan-shuang
（Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

In this paper，an ultrasound inspecting system with the function of pre-trigger acquisition is designed，which is for propose of accurate estimation of the arrival time of ultrasound when rock's ultrasound velocity is detected by software automatically.The system can evaluate the arrival time of ultrasound correctly，according to the noise level of the pre-trigger acquisition data.The system amplifies the ultrasonic signals using the amplifier，which is supplied by phantom power，while it can achieve the remote transmission of signals and input impedance matching.Besides，the system can change and expand the function easily，which is based on FPGA control mode； it can transmit the control command and acquisition data bidirectional by USB2.0 interface.The using scope of ultrasound inspecting system can be widened by its input overvoltage protection，adjustable sampling rate，adjustable sample totallength and adjustable sample pre-length.The experimental results show that the ultrasound inspecting system can improve the accuracy of the automatic estimation of ultrasound arrival time，and it has highly practical value.

Ultrasound； pre-trigger acquisition；preamplifier；phantom power； USB2.0 interface

TN79+1

A

1674－6236（2017）16-0060-05

2016-07-02稿件編號：201607010

中國地震局地質(zhì)研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（IGCEA1612）

齊文博（1985—），男，河南新野人，碩士，工程師。研究方向：電子技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用和構(gòu)造變形與物理場實(shí)驗(yàn)研究。