FPGA在全长全覆盖钢管测厚系统中的应用

蒯淑君, 何辅云, 杨良军, 陈 彬, 王 振

(合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥 230009)

针对钢管自动化全长全覆盖的检测要求,对钢管进行全覆盖壁厚检测时,需要全面、真实、快速地反应钢管各处的厚度情况。采用超声波对材料厚度测量是无损检测的一个重要方面,而目前国内各类超声测厚仪层出不穷,但是大多都局限于人工便携式检测,效率很低且检测精度难以达到API标准的要求[1]。

本文研制了一种全长全覆盖测厚系统,该系统基于FPGA的强大逻辑控制功能和时钟计数分频的原理,控制阵列式探头按时序工作以实现多探头的时分复用技术,克服了单片机处理数据速度慢的缺点,同时设计高速计数器来计算钢管厚度信号,以提高检测精度,并采用通用串行方式与上位机完成数据传输功能。

1 测厚原理

由于超声波对人体没有危害,其应用广泛,不受场合限制,并且具有良好的方向性,在介质中定向传播时遇到不同介质发生反射和波形转换,对液体、固体穿透能力强,传播能量远远大于声波能量且损失小,利用耦合剂可与钢管表面不接触,因而超声检测是实现材料的厚度和缺陷非接触式自动化检测的最优化方法。本文在单探头超声波脉冲反射法[2]测厚原理的基础上,采用了32探头组成旋转式全覆盖钢管检测壁厚的方法。

32通道旋转式壁厚检测系统采用超声脉冲反射法,利用发射电路发射高压窄脉冲(脉宽 Δ t大约为1 μ s,频率为5 MHz)加载到超声聚焦探头上,使其共振板振动产生同频率超声波,通过水耦合[3]垂直入射到钢管上,声波遇到钢管的界面和底表面时发生反射和透射,回波信号被探头接收,超声回波信号如图1所示。

图1 超声回波信号

通过测量信号往返于钢管界面、底表面的时间差,根据厚度与声速和超声波在试件中的传播时间的关系来确定钢管的厚度,其计算公式为:

其中,h为试件厚度;c为材料中超声波的速度;Δ t为垂直入射超声波在试件中往返一次的传播时间,Δt反映了钢管壁厚信息,是研究的主要对象。

2 超声测厚系统组成

4组阵列式探头组(8个通道为一组阵列)相互垂直分布在4个探头支架上,以此与钢管表面切线垂直,组成32通道旋转式壁厚检测系统[4]。探头组采用喷淋水耦合方式围绕钢管旋转,形成螺旋带达到对钢管的全覆盖检测要求,其系统硬件结构如图2所示。

图2 系统方框图

系统上电后,FPGA立即复位清零,发出时钟信号和同步信号,来触发移位寄存器按时序产生32路方波信号,经激励电路后依次形成高压窄脉冲激励探头,使其发射超声波垂直射入钢管;回波信号被接收并转化为电信号,接收电路对其进行模拟滤波、门限比较及低噪声放大并合成一路信号,再经集成电路的脉宽提取处理,将界面脉冲的前沿和第1次底面脉冲的前沿提取出来,形成脉宽厚度信号,FPGA对此数据信号采集读取;FPGA启动定时和计数模块,在基准时钟下对数据进行高速计数处理后,将数据传输到PC机存储显示。整个系统单元由FPGA负责实现触发控制、高速采集控制、数据缓存及传输控制。

3 FPGA的功能设计

结合系统的设计要求,选用Altera公司EP1K30QC208芯片,它是较为通用的高速可编程FPGA板卡,最高工作频率可达到250 MHz,利用其强大的可编程能力和众多的I/O口可实现对频率高达20 MHz左右的数字信号进行16位高速采集[5],实现特定算法的数字信号发生器,也可以扩展为具有A/D、D/A功能的高速数据采集卡。

在本系统设计中,FPGA主要完成的功能是:作为信号发生器输出控制信号、数据采集与处理以及数据传输,其功能结构如图3所示。

图3 FPGA主要功能

为满足测量精度要求,系统选用100 MHz晶振作为主时钟,其软件开发平台为QuartusII,采用自顶向下的层次化设计方案。

3.1 触发控制信号

要实现对钢管的连续扫描检测,必须采用时分复用技术分时激励32通道,并有序控制每一路脉宽信号的采集[6]。

利用FPGA的逻辑控制并结合移位寄存器来实现对32探头的时分复用控制。实现方法是:对FPGA的主时钟模块进行计数分频,产生时钟控制信号clk0和同步控制信号ch3,clk0的频率为1.25 kHz,而 ch3=clk/8 kHz,时序仿真如图4所示,使得同步信号的周期为时钟信号的8倍,分别送到移位寄存器CC4015的时钟CLK和同步DA引脚,通过移位寄存器的输出来时分复用控制每一列探头。

图4 时序仿真图

时钟模块还产生控制信号ch1和ch2,作为边沿触发器的输入控制信号,针对回波信号的特点,结合边沿触发器的边沿触发特性,取出界面信号前沿与第1次底面信号前沿之间的脉宽,形成厚度脉宽信号[5]。

3.2 高速计数器的设计

超声波频率高,且多通道同时采集,一般单片机很难满足速度和精度的要求。基于SRAM工艺的现场可编程门阵列FPGA芯片频率可达到250 MHz,且内置锁相环可倍频输入时钟,适合用来设计高速计数电路,避免了外接高频时钟对其它电路的干扰,同时减少了外围中小规模集成芯片的数量,提高了系统的可靠性和精度[7]。

设外部晶振提供时钟clk的周期为 T,利用FPGA的内部模拟锁相环PLL产生2个移相时钟clk-p0和 clk-p1,两者周期同为 T但相位相差180°,能实现双时钟电路分别驱动各自计数器对同一被测信号计数,其功能相当于2倍频的计数器。计数器的原理如图5所示,脉宽信号a1～a4作为门控信号,送入2组高速计数器模块,当门控信号触发为高电平时,计数器clk-p0和clk-p1启动计数,直至脉宽信号为低电平时停止计数。

图5 计数器原理模块图

系统时钟clk的频率为100 MHz,在开始和结束计数时待测脉宽的前、后沿在时钟的半周期内判断,等效于时钟频率为200 MHz,这样误差将为原来的1/2,最大误差为5 ns。

具有可编程特性器件FPGA,可在基本硬件不变的条件下对系统升级和拓展,本系统在软件Quartus II上利用硬件描述语言VHDL实现高速计数和时钟等模块的功能,其程序流程如图6所示,并进行仿真、综合,调试成功后下载到FPGA硬件系统上。

图6 程序流程图

3.3 与上位机通讯

数据经算法处理后存入FPGA的寄存器,同时需要上位机实时显示钢管厚度数据,系统选用通用串行总线方式USB(Universal Serial Bus,简称USB)实现FPGA与上位机之间的数据通讯[8],它的主要任务是将超声测厚数据快速不失真地传入上位机,实现波形实时显示和分析;另一方面FPGA通过USB接收上位机对前端测厚系统的参数设置,完成对超声测厚电路的初始化。

基于以上要求,选用了性价比高的PDIUSBD12接口芯片,它支持多路复用和非复用的地址数据总线,与FPGA的数据总线相连,相当于8位数据总线和1位地址位的存储器件,是上位机与FPGA之间的通信纽带。

4 测试情况

实际测量中,水耦合器能均匀地将超声波通过水柱进入钢管中,且满足水温变化范围很小的情况下,32通道旋转式全长全覆盖钢管测厚系统对样管的各点进行检测,将测量得到的非线性部分采用拟合算法实现线性测量,以确保其误差不超过0.1 mm。

基于FPGA的全覆盖钢管测厚系统,对管径Φ为139.7 mm,标称壁厚h为7.72 mm的标准样管进行测量,结果见表1所列。其中,通道号为探头所测的环带号,文中以邻近的4通道为例进行8次实验(测试1～测试8),每次实验持续时间为5 s,计算5 s内每个通道得到的所有数据的最大值、最小值以及算术平均值。将用便携式测厚仪在同一环带位置所得结果(最大、最小和算术平均值)默认为正确结果,并与该通道的每次测试结果进行比较,得出误差范围。由表1的测试结果可以看出,2种测量方式所得壁厚的最大值、最小值及算术平均值误差范围在±0.1 mm内,且多次测量结果重复性好,符合API标准中对钢管进行全长全覆盖的要求。

表1 测试结果

5 结束语

本文介绍了基于FPGA全覆盖钢管测厚系统,选用ACEX系列 EP1K30QC208芯片,利用其灵活的可编程特性、众多的I/O口和高速时钟等特点设计了时钟发生器、信号控制器以及高速计数器,实现对整个系统简单有效的控制,减小了相应的电路成本,提高了探头的效率;同时,高速时钟也提高了数据的检测精度,USB接口实现与PC机快速不失真的数据交换通讯。

[1] ISO 11960-2004,Petroleum and Natural Gas Industries:Steel Pipes for Use as Casing or Tubing for Wells[S].

[2] 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会.超声检测[M].北京:机械工业出版社,2005:2-43.

[3] 朱娟花,何辅云,吴 昂.水耦合高能多探头超声动态检测系统[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2005,28(1):84-86.

[4] 张广明,陈自强,刘彦民,等.多通道虚拟超声检测系统研究[J].西安交通大学学报,1999,33(5):97-100.

[5] Wolf W.FPGA-based sy stem desig n[M].Beijing:China Machine Press,2005:1-100.

[6] 杨理践,张青斌,高松巍,等.基于FPGA的漏磁检测多路数据采集[J].沈阳工业大学学报,2008,30(4):453-457.

[7] 彭能岭,虞孝麒,胡元峰.基于FPGA的8通道高速计数器的研制[J].核电子学与探测技术,2006,26(6):821-823.

[8] Kirianaki N V,Yurish S Y,Shpak N O,et al.Data acquisition and signal processing for smart sensors[M].England:John Wiley&Sons,Ltd,2002:20-60.