超聲波檢測高速數據采集和傳輸技術的研究
2016-03-04
1．引言
超聲波檢測技術作為無損檢測技術的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用，它提供了評價固體材料的微觀組織及相關力學性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性，超聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析，大部分檢測設備僅有A掃描形式，需要通過有經驗的無損檢測人員對信號進行人工分析才能得出正確的結論，對檢測和分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動化檢測。
八十年代后期，由于計算機技術和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號的數字化采集和分析成為可能。目前國內也相繼出現了各類數字化超聲波檢測設備，并已成為超聲波檢測的發(fā)展方向。但是，這些設備也僅停留在超聲波檢測頻率較低的頻段的信號處理上，主要是受到高速A/D和高速存儲技術的限制。
為了減少人為因素對檢測結果的影響，使波形能記錄和保存，并達到檢測結果的直觀性，需實現超聲波檢測分析和成像處理，這就要求實現數據的高速采集和大數據量緩沖。因此，開展數據高速采集技術的研究和實現是非常必要的，它是能否實現超聲波檢測分析和成像處理的關鍵技術之一。
2．國內外研究現狀及意義
目前國內外在超聲波檢測領域都向著數字化方向發(fā)展，數字式超聲波檢測儀器的發(fā)展速度很快。國內近幾年也相繼出現了許多數字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。
國際上對超聲波檢測數字化技術的研究非常重視，國外生產類似產品和研究的公司有美國的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/DTECH公司，德國的K-K公司、法國的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述這些公司生產的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術水平較高，在世界上處于領先水平。
國外已把100MHZ以上采樣頻率的高速A/D技術用于超聲波信號的采集，大容量緩沖技術也達到一定的水平，信號的分析和成像處理已實現A、B、C掃描。雖然國內已開展這方面的研究與開發(fā)，但是在技術應用上還是存在一定的差距。
因此，開展該項技術的研究，如何把高速A/D技術、大容量緩沖技術以及信號的處理、分析和成像技術進行開發(fā)和研究，并應用到超聲波檢測的工程需要上去，是一項具有現實意義的課題，它可提高我國無損檢測技術水平，跟上世界先進的現代工業(yè)檢測技術步伐，使我國超聲波檢測水平上一個臺階。
3．系統(tǒng)的基本結構
我們所研究和開發(fā)的數字式超聲波檢測和成像處理系統(tǒng)是采用PC微機，以高速實時采集和存儲及數字成像為主要技術的實時檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由下列部分組成：雙微機（或工控機）系統(tǒng)、超聲波脈沖發(fā)射器、超聲波信號接收器、高速數據采集卡、數據處理和分析軟件包以及傳感器、探頭運動和掃描控制系統(tǒng)等。
3．1系統(tǒng)的基本功能
l具有A型掃描超聲波探傷設備的全部功能和分析方法
lDAC曲線調校點數1—32點任選
l工作頻率：1—40MHZ
l具有可程控和可選擇的四通道方式和數據的實時記錄
l檢測數據實時存盤
l全漢化的WINDOWSNT用戶界面，雙計算機協(xié)調工作
l多窗戶的圖形分析
l可事后分析、處理、測試任何位置范圍內的探傷情況
l實時的A掃描顯示（單、雙、四通道方式可選）、掃查控制顯示
l事后A掃描顯示、B掃描顯示、C掃描顯示，3D顯示，各顯示方式可相互比較
l分析結果和檢測報告軟件，打印出分析結果和檢測報告
l掃查控制接口協(xié)調
3．2主要研究內容
l高速A/D轉換技術，具有100MHZ以上采樣頻率。
l檢測數據的存儲（因數據量很大，需實現高速緩沖存儲）。
l設備的小型化和保密性。
l多通道檢測的通道切換和數據存儲分配。
l數據管理、同步方式選擇、高速回放。
由于目前采樣頻率100MHZ以上的高速A/D轉換器已產品化，計算機總線的傳輸速率已大大提高，高速大容量緩沖的出現，使得高頻信號的實時數據采集、傳送和存儲能夠實現。在研究內容中，充分考慮到目前關鍵技術所采用的器件類型，保證研究內容的完成。
4．信號采集及其處理
信號采集、處理和分析是研究和工業(yè)開發(fā)領域的常用工具，也是超聲無損檢測技術所采用的有效方法。其目的是通過增強接收信號中某些特征，從而取出對檢測目的特別有用的信息。
4．1數據采集及模/數轉換
4．1．1基本概念
超聲檢測設備中的數據采集通過換能器傳遞信號，它把振動的機械能轉換成電信號，信號具有連續(xù)的形式，為使它能由計算機處理，需將模擬信號轉換成數字信號。將模擬信號轉換成數字信號是通過對信號在各個離散的瞬間進行取樣完成的，即將信號幅度數字化成一系列數字的過程。
從理論上說，對幅度的取樣是瞬時的，而數字的表達又是無限精確的。而實際上，取樣是限時的，幅度也是被轉換成有限位數的二進制代碼。對于一個有實用價值，最高頻率為fM的有限帶寬信號所進行的連續(xù)時間富氏變換得到的是一個總頻帶寬度為2fM的對稱函數。取樣信號s[n]是將s(t)乘以取樣函數：
d(t)=∑δ(t-nT)
式中：T---取樣時間間隔；
δ—離散增量函。
+若t=nT，則有：δ(t-nT)=1，且t≠nT時，δ(t-nT)=0
富氏變換D(f)也是采樣函數：
D(f)=(1/T)∑δ(f-kF)
式中：F=1/T
δ(t-nT)項用于定義離散序列S[n]，寫成離散脈沖函數加權和的形式：
S[n]=∑s(t)δ(t-nT)
式中S[n]表示取樣信號，這里用方括號取代用于表示連續(xù)函數的圓括號。
使用卷積定理，可把富氏變換寫成s(t)和δ(t-nT)的富氏變換的卷積：
S[k]=S(f)＊D(f)=(1/T)∑δ(f-kF)
離散富氏變換S[k]是S(f)的間歇復制，復制的頻率間距為F=1/T。可按兩種特殊情況：F>2fM時，相鄰頻譜無重疊；F<2fM時，相鄰頻譜有重疊，這一現象就是所謂的同名現象。取樣頻率極限FN=2fM，超過此頻率時便不再有重疊，該頻率就是內奎斯特（Nyquist）頻率。若滿足條件：FN>2fM，原始信號的恢復將可以實現，只需將取樣信號波形通過矩形低通濾波器即可。若取樣頻率低于此值，原始連續(xù)信號便不可能根據它的取樣信號波形得到不失真的恢復。
4．1．2A/D轉換
按轉換器的工作原理不同，A/D轉換器通常可分為積分型和比較型。積分型A/D轉換器先將輸入的模擬量轉換為中間量，然后再將此中間量變換成相應的數字量。這種類型的A/D器件的特點是抗干擾能力強，精度高，但速率較低。高速A/D轉換器一般采用比較型。下面介紹幾種適用于高速變換的A/D轉換器。
（1）閃爍式A/D轉換器：將采樣的模擬信號直接與各個不同的參考電壓比較，從而得出相應的數字信號大校這種方式只需一個A/D內部周期即可得到數字結果，速度相當快，但分辨率不高。它需要2N（N為A/D的位數）個內部比較器，電路非常復雜。
（2）逐次比較型A/D轉換器：其原理是利用比較器不斷地對采樣模擬信號與D/A轉換器產生的標準模擬電壓進行比較，直到兩者之差小于1LSB為止。這種方式需要N個內部周期來完成一次轉換,但只需一個比較器,比較容易提高分辨率,電路較簡單。
（3）ΣΔA/D轉換器：其原理是將模擬信號先進行ΣΔ調制，再通過高性能的數字濾波，就能得到高分辨率的數字信號。這種方式能獲得較大的信噪比，它實際上利用了下面要介紹的過采樣技術。
為了滿足軟件無線電對數據采集模塊的需求，進一步提高采集的性能，在上述基本結構的基礎上，采用了一些改進的采集技術，現分別介紹如下：
（1）正交采樣技術：將要進行數字化的信號分成兩個分量，其中一個乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上；另一個乘以900相移的正弦波，下變頻到零中心頻率上。每一分量只以原信號的二分之一帶寬出現，以原信號的二分之一采樣速率進行取樣。
（2）帶通信號采樣技術：如果前一模塊送出的是帶通模擬信號，可以以低于抽樣定理中的Nyquist采樣率進行模數轉換。只要采樣率fs不低于兩倍的信號帶寬（fh-fl），就不會導致信號的頻譜的重疊，同時，fs還應滿足：
2fh/k這里k是滿足如下關系的整數2（3）過采樣技術：以遠大于Nyquist采樣率進行采樣的方法稱之為過采樣技術，采用過采樣技術會帶來兩個好處。首先，高速采樣可降低對前級抗混疊濾波器性能的設計要求；其次，過采樣技術可提高信噪比。
（4）并行ADC、DAC技術：軟件無線電的發(fā)展方向是ADC和DAC盡量靠近射頻端。高頻寬帶信號的數字化對采樣頻率、位數及動態(tài)范圍都提出了較高要求，這時可采用并行A/D轉換技術。這樣用多個高速采樣保持和A/D可完成超高速轉換。
4．2高速A/D數據采集
4．2．1采樣頻率和緩沖容量的確定
本課題是針對超聲波工業(yè)檢測設備而開發(fā)的高速數據采集技術，因此，檢測對象基本上為鋼體材料。超聲波在鋼中傳播時，縱波CL的傳播速度為5900米/秒，橫波CS的傳播速度為3230米/秒，可見，超聲波在鋼中的傳播速度很快。因此，對于一定厚度的工件進行檢測時，超聲波在工件中的傳播時間很短，尤其對于薄壁材料檢測，傳播距離更短。從以下超聲波檢測的基本方法可以計算出超聲波的傳播時間，確定檢測頻率和緩沖的容量要求。
4．2．2超聲波傳播時間的計算
超聲波在鋼中的傳播速度、距離和時間的關系公式為：
D=C·T
式中：D表示聲程（距離）
C表示聲速
T表示傳播時間
如果采用反射法直探頭進行檢測，在其探測范圍內的傳播時間：
T=2H/C
式中：H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時間
如果采用反射法斜探頭進行檢測，則要考慮入射角和幾次聲程的影響。采用一次聲程探傷，在其探測范圍內的傳播時間：
T=2H/(cosφ·C)
式中：H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時間
φ表示探頭入射角
采用二次聲程探傷，在其探測范圍內的傳播時間：
T=4H/(cosφ·C)
式中：H表示工件厚度
C表示聲速
T表示傳播時間
φ表示探頭入射角
4．2．3采樣頻率的確定
從以上的超聲波傳播時間可以看出，對于鋼質材料的超聲波檢測，由于超聲波在鋼中傳播時間很短，因此，一般需采用較高的檢測頻率。尤其對于薄壁材料的檢測，為了得到足夠的分辨率，采用高的檢測頻率就更為重要。這就要求有足夠的采樣頻率才能滿足信號采集的要求。
如對于1mm厚的材料進行檢測，由于超聲波在其中的傳播時間僅為0.339μs，要達到10%（0.1mm）的檢測精度，必須要能分辨0.0339μs的信號周期，不至于信號重疊而無法分辨。這就要求檢測頻率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的檢測頻率fM。因此，對于采樣頻率FN至少滿足內奎斯特（Nyquist）頻率，即滿足條件：FN>2fM，也就是采樣頻率至少達到60MHZ以上。對于整個系統(tǒng)的設計檢測頻率上限40MHZ，采樣頻率必須在80MHZ以上。
為了提高信噪比和檢測精度，我們選擇了大于Nyquist采樣率的過采樣技術。確定了整個系統(tǒng)的采樣速率必須達到100MHZ以上。
當然，整個系統(tǒng)為了滿足不同檢測要求的需要，采樣速率是可以調整的，在檢測頻率不是很高時，可以降低采樣速率，以減小緩沖容量的要求。
4．2．4緩存器容量的確定
由于整個系統(tǒng)的采樣速率較高，要對信號數據進行保存，就需要使用高速緩存器，緩存器的容量應該把探測范圍內的時域信號得以保存。我們選用了64K容量的緩存器。
在200MHZ采樣速率的情況下，64K緩存器可存儲的時域信號的時間長度為：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
這種采樣頻率一般用于檢測頻率較高的檢測信號的采集，用高檢測頻率檢測薄壁材料時，往往采用縱波入射和45度斜探頭一次聲程的橫波入射方式，在同樣厚度的工件中橫波入射方式檢測的時域信號時間長度較長，因此該容量的緩存器可適應的最大厚度的工件厚度為：
H=(320μs·3230m/s·cos45)/2=365mm
對于薄壁材料遠小于該厚度值，因此所設計的緩存器容量是足夠的。
而對于壁厚較厚的工件，一般采用1--5MHZ的檢測頻率，采用30MHZ的采樣頻率足以滿足信號數據采樣的要求，這時64K緩存器可存儲的時域信號的時間長度為：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即使使用70度斜探頭二次聲程的橫波入射方式，該容量的緩存器可適應的最大工件厚度為：
H=(2133μs·3230m/s·cos70)/4=589mm
它也能適應壓力容器等工業(yè)檢測的需要，比較重要的核電站反應堆壓力容器的壁厚只有在250mm左右。
4．3A/D采集卡的設計和開發(fā)
為了滿足對超聲波寬頻帶高速率的信號進行采集的要求，設計了一種基于并行直接轉換原理的flashA/D轉換器的高速8位分辨率的數據采集卡。
該采集卡的主要性能指標是：
（1）最大采樣率為200MHz；
（2）數據分辨率為8位；
（3）數據緩存容量為64k*16位；
（4）模擬輸入帶寬>70MHZ；
（5）輸入路數：4路
（6）轉換觸發(fā)方式：可編程為定時觸發(fā)、指令觸發(fā)、外源觸發(fā)
（7）數據傳輸速率：25MBytes/S
采集卡設計成計算機擴展槽的插板形式，不需外接電源，其各種狀態(tài)可通過主機進行編程控制，便于用戶使用。
4．4高速數據緩存器
數據的緩存使用了兩片高速FIFO，在將采集得到的數據寫入其中一片時，后續(xù)模塊同時對另一片中的數據進行處理。對FIFO進行對寫是在時序控制模塊的控制下進行的，但數據的讀出由用戶自己的后續(xù)模塊自己進行，并提供相應的控制信號。FIFO緩存器由于其先進先出的特性，數據的讀寫都無需提供地址信號，簡化了電路的設計，提高了數據的吞吐率。該FIFO的最高運行速率是100MHz，這完全滿足系統(tǒng)的要求。
5．超聲波檢測數據的傳輸和記錄
5．1系統(tǒng)簡介
由于本系統(tǒng)采集速率較高，因此對于傳輸的速率要求相對也比較高。由于ISA總線制定的時間較早，不可避免地帶有一些局限性，例如數據寬度僅為16位、總線同步時鐘也只有8MHZ等。而目前CPU的數據寬度和工作頻率都有了很大的提高，同時面向圖形的操作系統(tǒng)的引入，使標準的PCI/O結構中的處理器和它的顯示外設之間產生了數據瓶頸，ISA總線已經不能滿足系統(tǒng)要求。但如果將外設的功能在與系統(tǒng)處理器總線同樣寬的高寬帶總線上實現，這個瓶頸就可以消除，因此引入了高寬帶總線，通常稱為“局部總線”。在多種局部總線中，VESA總線和PCI總線是比較具有代表性的兩種。
在本項課題數字式超聲波成像系統(tǒng)中應用PCI總線作高速數據采集和傳輸。整個系統(tǒng)的硬件由兩個部分組成：主處理機（PC）和信號發(fā)射/接收前端組成：
灰色部分的接口卡就是本課題要研究的對象：PCI總線接口卡。它起的作用是發(fā)射/接收前端與主處理機之間的橋梁。在發(fā)射/接收前端，高速采樣后的接收信號在A/D轉換后，經由連接電纜送到接口卡，再由接口卡通過PCI總線傳送到主處理機內存中指定的數據接收區(qū)。
5．2PCI總線的特點
PCI總線即外設部件互連，是一種新型的、同步的、高寬帶的、獨立于處理器的總線。其所以能在各類總線中脫穎而出，是因為其具有以下特點：
⑴傳輸速度快。最高工作頻率33MHZ，峰值吞吐率在32位時為132MB/S，64位時為264MB/S。
⑵支持無限猝發(fā)讀寫方式。讀寫時后面可跟無數個數據周期，具有強大的數據猝發(fā)傳輸能力。
⑶支持并行工作方式。PCI控制器具有多級緩沖，利用它可使PCI總線上外設與CPU并行工作。例如CPU輸出數據時，先將數據快速送到緩沖器中，當這些數據不斷送往設備時，CPU就可轉而執(zhí)行其他工作了。
⑷獨立于處理器。PCI在CPU和外設間插入一個復雜的管理層用以協(xié)調數據傳輸，通常稱之為橋。橋的主要功能是在兩種不同的信號環(huán)境之間進行轉換，并向系統(tǒng)中所有的主控制器提供一致的總線接口。因此PCI總線可支持多種系列的處理器，并為處理器升級創(chuàng)造了條件。
⑸提供4種規(guī)格，可定義32位/64位以及5V/3.3V電壓信號。3.3V電壓信號環(huán)境的定義為PCI總線進入便攜機領域提供了便利。
⑹數據線和地址線采用了多路復用結構，減少了針腳數。一般而言，32位字長、僅作目標設備的接口只需47條引腳，作為總線控制者的設備接口再加2條引腳，并可有選擇地增加信號線以擴展功能，如64位字長的接口卡需加39條引腳，資源鎖定加1條引腳，等等。
⑺支持即插即用功能，能實現自動配置。在PCI器件上包含有寄存器，上面帶有配置所需的器件信息，使外設適配器在和系統(tǒng)連接時能自動進行配置，無須人工干預。
5．3硬件結構
這里對接口卡的硬件結構作一簡要描述：
從連接電纜輸入的16位寬的數據經信號緩沖后暫存在FIFO中，然后被PCI總線接口芯片讀出并通過PCI總線送到主處理機內存中指定的數據接收區(qū)。
5．3．1PCI總線接口芯片結構
PCI總線接口芯片是用FPGA來實現的。其上除了完成與PCI總線接口所必須的PCI總線配置寄存器之外，還具有一些用戶可編程的控制寄存器。用戶通過對這些控制寄存器編程，就可使PCI總線接口芯片自動向系統(tǒng)申請占用總線，從FIFO中讀出數據并傳送到系統(tǒng)內存中指定的數據接收區(qū)中。
芯片內部由兩個模塊組成：PCI接口模塊和FIFO接口模塊。PCI接口模塊負責與PCI總線端相接的邏輯。FIFO接口模塊負責與FIFO端相接的邏輯。
5．3．2PCI接口模塊
PCI接口模塊除了實現PCI總線配置寄存器以外，還起到FIFO接口模塊與PCI總線之間的轉接作用。一方面，來自PCI總線上的對FIFO接口模塊中控制寄存器的讀寫要經PCI接口模塊才能轉換為可以被FIFO接口模塊接收的讀寫信號；另一方面，FIFO接口模塊從FIFO中讀取的數據需要經過PCI接口模塊才能轉換為PCI總線上的相應信號被系統(tǒng)接收。。
5．3．3FIFO接口模塊
FIFO接口模塊的功能是控制從FIFO讀出數據，然后通過PCI接口模塊向總線發(fā)出申請，得到許可后開始向系統(tǒng)內存指定的數據接收區(qū)傳送數據。FIFO接口模塊中還實現了可編程的控制寄存器，可使軟件對數據傳送進行控制。
5．4軟件接口
本接口卡的軟件接口包括兩個部分：與PCI系統(tǒng)相關的軟件接口及與用戶應用相關的軟件接口。與PCI系統(tǒng)相關的軟件接口是PCI總線配置寄存器，包括本接口卡的生產廠商所指定的設備標志號、修訂版本號以及PCISIG所分配的廠商標志號寄存器，還有狀態(tài)寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。與用戶應用相關的軟件接口是與本接口卡實現的特定功能相關的寄存器，包括兩組與數據傳送有關的起始地址寄存器和結束地址寄存器，還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。
對與用戶應用相關的寄存器的操作都應以32位的方式進行。若以8位或16位的方式操作，將產生不可預知的結果。
在內存以字節(jié)（8位）為單位進行尋址的情況下，在進行16位或32位的操作時認為字節(jié)排列順序如下：高位字節(jié)在地址較大的字節(jié)上，低位字節(jié)在地址較小的字節(jié)上，
在各個寄存器中，有些寄存器是只讀的，有些寄存器是可讀可寫的，還有一些寄存器是可讀可清除的。以上這些屬性在以后對每個寄存器的說明中將分別以只讀、讀/寫、讀/清的字樣標出。
對于只讀和可讀可寫屬性應該是見詞明義，這里就不多作說明。對于可讀可清除屬性，在這里有必要說明一下。對可讀可清除的寄存器作讀操作時，與一般的讀操作無異。在寫操作時，那些寫入1的位會被清0，那些寫入0的位則不受影響。具體來說，當某個具有可讀可清除屬性的字節(jié)內容為01010101時，若對該字節(jié)讀，則讀出的內容為01010101。若對該字節(jié)寫入00001111時，該字節(jié)的低4位被清0，內容改變?yōu)?1010000。
6.結論
1．從調試結果和研制結果來看，超聲波信號采集、分析和成像處理系統(tǒng)的整體設計方案是正確的，整套系統(tǒng)可以滿足頻率范圍從1MHZ到40MHZ超聲波檢測采集和分析的需要，同時可以調整采樣速率，適應不同檢測頻率的記錄要求。
2．該課題采用全數字式超聲波信號顯示和處理方式，可以為超聲波檢測的分析提供必要的數據，對檢測結果更為準確和直觀?？梢愿鼮榫_地對缺陷進行定位和定量。同時，為超聲波檢測設備的開發(fā)提供了良好的開發(fā)手段。對提高我國的超聲波檢測設備的開發(fā)水平具有積極意義。
3．該課題中采用的PCI實時技術解決了高速大容量現場檢測數據的存儲和傳輸，為其他有關項目的開發(fā)提供了方案。
4．課題中應用的關鍵硬件FPGA和PLD器件可以較強地適用于科研開發(fā)和調試，同時具有一定的保密性，對知識產權的保護提供了方案。并且，可以大大縮小硬件的體積。
5．課題中采用的譜估計方法進行信號處理，可以從噪聲中提取回波信息，可以降低硬件的開發(fā)難度。
整個系統(tǒng)的開發(fā)成功對于提高我國無損檢測技術水平，跟上世界先進的現代工業(yè)檢測技術步伐，使我國超聲波檢測水平上一個臺階具有重要的意義。
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