CN203838128U

CN203838128U - 超声波无损检测高速数据采集与处理***

Info

Publication number: CN203838128U
Application number: CN201420133982.7U
Authority: CN
Inventors: 梅鲁海
Original assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU CHUANGBO TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2024-03-24

Abstract

本实用新型公开了一种超声波无损检测高速数据采集处理***，包括连接在一起的高压脉冲发生电路、换能电路、宽带放大器、A/D转换电路、高速数据缓存电路、时序逻辑控制电路、通道选择控制电路、PCI总线、PCI接口电路和数据处理电路，所述高速数据缓存电路与CPU数据处理电路之间通过PCI接口电路和PCI总线连接，所述时序逻辑控制电路与CPU数据处理电路之间通过PCI接口电路相连；所述电路板卡的PCB采用4层板，2层信号走线，1层电源走线，1层地走线。本实用新型应用了高速数据采集、A/D转换技术、大容量缓冲、多通道切换、数据存储和数据管理等先进的数据信号处理技术，从而实现多通道声发射波形的采集和分析处理。

Description

超声波无损检测高速数据采集与处理***

技术领域

本实用新型属于信息与数据处理工程领域，特别涉及一种超声波无损检测高速数据采集与处理***。

背景技术

超声波无损检测是指用超声波来检测材料和工件，并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法，常用于检测平板、管道、容器等的纵横焊缝以及接管角焊缝缺陷。超声波检测的目的是利用超声波的反射和衍射等特性，通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。超声波检测最常用的一种技术是脉冲回波，检测方法是由超声检测仪产生脉冲电信号，输入到换能器或探头上，激励换能器的压电晶片发射脉冲超声波，超声波透射或折射进入被检材料或工件中，经过反射或衍射等传播变化，最终又被换能器的压电晶片所接收，再转换成电信号，输送回超声检测仪显示出来，最后通过对显示屏进行观察来分析和评价被检材料或工件的内部及表面质量。

随着科学技术的进步和发展，出现了各种全数字化的超声波检测设备，但早期的数字化设备仅停留在超声波检测频率频段较低的信号处理上，主要是受到高速A/D和高速存储技术的限制，由于计算机总线技术应用的瓶颈，也不能实时多通道传送波形数据到计算机去处理，声源定位信号分析等实时显示分析的功能只能由硬件输出的参数完成。

本实用新型提出了一种硬件输出、显示、记录和存储的数据为声发射波形全波形的超声波检测设备，它的基本结构是用高速计算机总线PCI直接高速地将经A/D转换后的全数字全波形声发射数据送到功能强大的计算机，由计算机完成参数生成、波形分析和声源定位等任务。这种设备综合应用了高速数据采集、A/D转换技术、大容量缓冲、多通道切换、数据存储和数据管理等先进的数据信号处理技术，使得多通道声发射波形的采集和分析不再困难。

实用新型内容

为了改进传统超声波无损检测设备的硬件线路构造，克服超声波检测频率过低的技术缺陷和A/D转换速度、高速存储技术等方面的限制，同时也为解决计算机总线技术应用的瓶颈，本实用新型提供了一种基于S5933的超声波无损检测高速数据采集与处理***。

本实用新型的技术方案：一种超声波无损检测高速数据采集与处理线路，包括连接在一起的高压脉冲发生电路、换能电路、宽带放大器、A/D转换电路、高速数据缓存电路、时序逻辑控制电路、通道选择控制电路、PCI总线、PCI接口电路和数据处理电路，所述高速数据缓存电路与CPU数据处理电路之间通过PCI接口电路和PCI总线连接，所述时序逻辑控制电路与CPU数据处理电路之间通过PCI接口电路相连；所述电路板卡的PCB采用4层板，2层信号走线，1层电源走线，1层地走线；所述换能电路连接被测材料，换能电路的输入端连接高压脉冲发生电路，其输出端与宽带放大器，所述宽带放大器的输出端连接A/D转换电路，所述A/D转换电路的输出端与高速数据缓存电路连接，所述高速数据缓存电路与时序逻辑控制电路连通，所述高压脉冲发生电路的输入端连接通道选择控制电路和时序逻辑控制电路，所述通道选择控制电路和时序逻辑控制电路连通。

优选地，所述CPU数据处理电路的输出端连接显示模块、打印模块、键盘模块、储存模块、通信模块。

优选地，PCI总线时钟信号采用蛇形走线，走线长度为2.5英寸。

本实用新型首先由高压脉冲发生电路发射高压脉冲，高压脉冲经换能电路形成超声波信号，遇到缺陷或杂质时产生反射波，经换能电路转换为电压信号，该信号经宽带放大器放大、A/D转换后，形成数字量，写入高速数据缓存电路的存储器中，然后由PCI接口芯片电路将缓存电路中的数据适时地通过PCI总线送到本***的CPU电路进行处理，然后完成控制、显示、打印、存储和通信等功能。

***采用转换速率为60MHZ的8位高速A/D转换电路满足数据采集的要求。为对A/D芯片输出的高速数据进行缓冲，并充分利用PCI总线带宽，采用32KB的高速数据缓存电路。为满足多通道检测的要求，设计了通道选择控制电路以实现通道之间的切换。采用高增益的高频宽带放大器对缺陷回波信号进行整理和放大。

***硬件电路具有体积小、可靠性高、控制逻辑更改方便、可扩展性强等特点，高速数据缓存电路IDT72230与CPU数据处理电路之间，以及时序逻辑控制电路XC9536与CPU数据处理电路之间均通过PCI总线电路S5933相连，板卡的PCB设计按照高速信号PCB走线的要求，采用4层板，2层信号走线，1层电源走线，1层地走线。普通信号线从插槽的中心到S5933的长度不超过1.5英寸，PCI总线时钟信号采用了蛇形走线，走线长度为2.5英寸。因为PCI总线端的信号采用反射波方式，即总线驱动靠反射波叠加使信号电压达到要求的振幅，所以PCI总线端的信号与普通芯片的入射波信号不同，不能直接互连，在S5933内部就完成了信号波形和信号格式的转换。

影响高速A/D转换电路性能主要因素有***布局、A/D转换***电路的输入信号质量、转换电路采样时钟的质量、接地与滤波、PCB走线与数据信号反射、***散热等。为保证本电路工作的可靠性和提高性能，在具体设计上采取的主要措施有：1)合理布置电源、时钟和运放；2)对辐射大、自身又易受干扰的A/D转换电路采取屏蔽措施；3)各部分之间的输出口间距控制不宜太远；4)模拟与数字电路分离；5)隔离采样时钟；6)电源部分加去耦电路；7)选择低噪声运放；8)采用4层板布线，并合理布置PCB板的走线。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中宽带放大器的线路连接图；

图3为本实用新型中时序逻辑控制过程图；

图4为本实用新型中时序逻辑控制电路的线路图。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本实用新型作进一步详细的说明，但并不是对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型的工作原理：

(1)数据输入与采集

数据输入与采集模块包括输入电路、匹配网络、放大电路、A/D转换电路和数据缓存电路等。中频模拟输入采用运放直流耦合差分驱动的方式，输入信号分别接两个运放的不同极，运放的另一极接共模输出,提供共同的基准电压，这样运放输出信号即为差分信号,采用这种电路能扩大输入信号的动态范围并实现最优化的失真表现,同时该缓冲驱动电路能平抑输入信号的漂移。

A/D转换电路的作用是在中频频段将输入的模拟信号进行数字化。因为中频信号带宽通常较窄，属窄带信号，根据欠采样定理,要想完全不失真的恢复信号的有用信息,采样速率只需为信号带宽的2～3倍以上即可，这样就可降低对A/D高采样速率的要求。本设计A/D转换电路采用AD公司提供的AD9240,AD9240满功率带宽及动态范围特性，它直接中频采样频率就可以达45MHz。外接输出为2.5V的MAX6325芯片作为稳压参考源，双路差分模拟输入以实现最大采集范围。采样时钟由时序逻辑控制电路提供，灵活可变，可外接也可内置，最高采样频率可达10MHz，输出数据精度为14bit。

(2)数据传输与处理

数据缓存电路采用异步FIFO，选用两片2K×8的IDT72230，通过宽度扩展实现2K×16的FIFO。FIFO的读写时钟及状态控制都由EPLD实现。另外，由于S5933片内提供的FIFO深度只有8个双字，每传8个双字就要产生一次中断，为了传输较大的数据，***采用外接高速 FIFO，FIFO的状态标志位作为DMA传输请求信号。

PCI总线是Intel公司推出的一种高性能32/64位局部总线，最大数据传输速率为132-264Mb/s，远远超过ISA总线5Mb/s的速率，是目前使用较为广泛的一种总线。在高速信号的实时处理中，利用PCI总线将采集数据直接传送到微机***内存，可有效解决数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供方便。PCI总线执行协议比较复杂，总线的接口逻辑也非常复杂，为简化电路设计和提高可靠性，***采用了AMCC公司的总线控制器芯片S5933。

S5933是符合PCI规范2.1的32位接口芯片，被广泛用于数据采集电路的设计中。S5933提供了三种物理总线接口：PCI总线、外接(Add-On)总线和一个可选的外部配置存储器接口。PCI配置寄存器的各参数值可放在配置存储器中，在***启动初始化时下载到配置寄存器中，也可在应用程序中重新配置。S5933还包括两组内部控制寄存器：一组是PCI总线控制寄存器，另一组是Add-On总线控制寄存器。它们被用于PCI总线和Add-On总线之间进行数据传送，采集数据通过Add-On总线到PCI总线。S5933有三种传输工作方式：Mailbox、FIFO和PASS-THRU。S5933内部有两个缓存器，一个缓存器的数据传送方向是从PCI总线到Add-On总线，另一个缓存器的数据传送方向相反。每一个缓存器中有8个32位寄存器，高速数据采集使用从PCI总线启动总线主控传送方式，从PCI总线访问总线主控写地址寄存器(MWAR)和写传送计数器(MWTC)，设置数据传输的存储地址和数据长度。

PCI总线规范十分复杂,本***将S5933放置在***与PCI总线之间,提供传递数据和控制信号的接口通路。S5933内部提供了PCI配置空间寄存器,PCI总线对该设备的访问完全依据配置空间的设置,配置空间由外部串行的非易失RAM(nv-RAM)在上电时自动配置***。基本工作原理如下:经前馈放大后的中频模拟信号经缓冲、差分变换以后进入模数变换AD9240,变换频率由软件设置,转换后的数据经琐存后输入至先入先出存储器FIFO，当FIFO中存储的数据达到一定数量后,FIFO向逻辑控制单元发出DMA传输请求，逻辑控制单元再根据S5933内部FIFO的状态决定是否启动外部FIFO读操作，即开始实施DMA传输，这其中所有的时序控制及接口电路都用EPLD实现。

S5933的一个重要特点是存在配置空间它提供一种配置关联,这种关联适合于目前或将来的***配置机制,从而实现参数自动配置,使所有与PCI兼容的设备实现真正的即插即用。因此,用S5933实现的PCI采集卡只要电气连接正确，就能在开机时被自动检测到。PCI总线下的DMA传输不同于ISA总线下的DMA传输,后者有两种总线控制方式，分别是CPU总线控制和8237DMA总线控制,ISA插卡只能作为目标模块,若需要用DMA方式传输数据,首先需要向8237控制器提出申请,8237接到信号后还得向CPU发出请求信号,经同意后ISA插卡才能进行数据的DMA传输，而PCI总线则能允许任何与之相联的设备进行DMA数据传输,它通过S5933片内两个8×32的FIFO与外接FIFO实现数据的双向DMA传输。在该***中，外部FIFO(IDT72230)与S5933内部FIFO通过一定的逻辑构成DMA通道,当外部FIFO的EF标志位和S5933写满信号有效时，S5933向外部FIFO发出读时钟，读取外部FIFO数据，DMA 数据传输大小由DMA-buffer决定，***的时序逻辑控制如图3和图4所示。

本实用新型实现主要步骤和手段如下：

(1)宽带放大电路

本***采用带触发的直流逆变电路产生高压脉冲，采用多路模拟通道选择电路实现通道切换以满足多通道探伤的要求。模拟信号经放大、滤波后，作为A/D转换电路的输入。放大电路采用增益为80dB、带宽为15MHZ、分辨率为1dB的放大器，并且采用数字电位器进行放大增益的动态调整，以实现放大器的动态响应和频带范围与尖峰回波脉冲信号的匹配，电路如图2所示。

(2)A/D转换电路

超声波无损检测对象基本上为钢体材料，超声波在钢中传播时，纵波CL的传播速度为5900米/秒，横波CS的传播速度为3230米/秒，缺陷回波信号通常宽度约10ns～100ns、幅值在几十μv～几十mv之间的窄脉冲，因此超声波在钢中的传播速度很快。对于一定厚度的工件进行检测时，超声波在工件中的传播时间很短，尤其对于薄壁材料检测，传播距离更短，因此，为了得到足够的分辨率，要有足够的检测和采样频率才能满足信号采集的要求。

A/D转换器通常可分为积分型和比较型，积分型A/D转换器先将输入的模拟量转换为中间量，然后再将此中间量变换成相应的数字量，这种类型的A/D器件的特点是抗干扰能力强精度高，但速率较低，高速A/D转换器一般采用比较型。本***A/D转换电路采用ADS830，该芯片信噪比高、功耗低、非线性畸变小，广泛应用于图像处理、数字通信和视频测试***中。它有共模和差模两种信号输入方式，输出的数字量可直接与5V或3.3V芯片接口。ADS830的精度为8位，最高采样频率为60MHZ，可满足一般无损检测***对数据采集精度和采样频率的要求。

(3)高速数据缓存电路

由于在PCI总线控制器S5933的缓存器中只有8个32位寄存器，对于实时高速数据，可能会由于***的延时造成数据的丢失，因此需要对数据的缓存进行扩展。本***采用IDT公司的器件IDT72V36100作为高速数据的缓存。IDT72V36100可以提供65536×36比特的存储单元，并且具有配置灵活的特点，可以通过设置确定输入输出的数据宽度。对于宽度为8比特的输入数据，为了充分利用PCI总线的性能，将输出数据的宽度设为32比特。此外，IDT72V36100也提供了丰富的状态信号，可以利用它们作为控制信号。IDT72V36100需要在写操作之前进行主复位，以设置它的一些初始状态，所以需要上电复位。本设计选用上电复位芯片MAX814T，在上电时对缓存电路进行复位。缓存电路的初始设置主要有：BM，OW，IW全为“低”，使输入输出宽度为32位；FWFT/SI为“低”表示是标准IDT模式，只要REN和WEN使能，就可以读写数据；OE为“低”，表示允许输出端输出；IP为“低”表示不加校验位；PFM为“高”表示是同步方式，即在时钟上升沿读写数据。

高速数据缓存电路使A/D芯片可以不必工作在PCI同步时钟下，提高了A/D芯片的利用率和数据的吞吐率。高速数据缓存电路由于具有“先进先出”的特性，数据的读写都无需提供地址信号，也简化了电路的设计。

(4)时序逻辑控制电路

本设计根据PCI总线支持“突发传输”的特点，采用DMA传输的模式。S5933通过其内部的缓存器提供了一个较为简单易用的DMA通道，为此需要通过相应的逻辑控制将扩展的存储空间结合为一个整体。本设计采用一片XILINX公司的CPLD器件XC9536作为逻辑控制器，主要控制过程如图3和图4所示。当S5933的缓存器填满(wrfull信号有效)或72v36100读空(empty信号有效)时，使wrfifo和ren信号同时无效，停止向S5933中写数据和72v36100中读数据，以保证数据不会丢失或重复读入。

(5)PCI接口电路

在高速信号的实时处理中，利用PCI总线将采集数据直接传送到微机***内存，可有效解决数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供方便。PCI总线执行协议比较复杂，总线的接口逻辑也非常复杂，本设计的S5933提供了三种物理总线接口：PCI总线、外接(Add-On)总线和一个可选的外部配置存储器接口。PCI配置寄存器的各参数值可放在配置存储器中，在***启动初始化时下载到配置寄存器中，也可在应用程序中重新配置。S5933还包括两组内部控制寄存器：一组是PCI总线控制寄存器，另一组是Add-On总线控制寄存器。它们被用于PCI总线和Add-On总线之间进行数据传送，采集数据通过Add-On总线到PCI总线。

Claims

1.一种超声波无损检测高速数据采集与处理***，包括连接在一起的高压脉冲发生电路、换能电路、宽带放大器、A/D转换电路、高速数据缓存电路、时序逻辑控制电路、通道选择控制电路、PCI总线、PCI接口电路和数据处理电路，其特征在于：所述高速数据缓存电路与CPU数据处理电路之间通过PCI接口电路和PCI总线连接，所述时序逻辑控制电路与CPU数据处理电路之间通过PCI接口电路相连；电路板卡的PCB采用4层板，2层信号走线，1层电源走线，1层地走线；所述换能电路连接被测材料，换能电路的输入端连接高压脉冲发生电路，其输出端与宽带放大器连接，所述宽带放大器的输出端连接A/D转换电路，所述A/D转换电路的输出端与高速数据缓存电路连接，所述高速数据缓存电路与时序逻辑控制电路连通，所述高压脉冲发生电路的输入端连接通道选择控制电路和时序逻辑控制电路，所述通道选择控制电路和时序逻辑控制电路连通。

2.根据权利要求1所述的一种超声波无损检测高速数据采集与处理***，其特征在于：所述CPU数据处理电路的输出端连接显示模块、打印模块、键盘模块、储存模块、通信模块。

3.根据权利要求1所述的一种超声波无损检测高速数据采集与处理***，其特征在于：PCI总线时钟信号采用蛇形走线，走线长度为2.5英寸。