基于USB 的电磁超声数据采集及分析系统的设计

汪开灿,康 磊,翟国富,王淑娟

(哈尔滨工业大学 军用电器研究所,哈尔滨 150001)

电磁超声换能器是一种非接触型超声发射/接收装置。它无需使用耦合剂,无需对试件表面进行预处理,能够方便地产生表面波、体波和导波等多种超声波型,现已逐步成为国内外较为主流的超声检测技术之一[1]。目前,国内电磁超声技术已经广泛应用于轮对、钢板、管道和复合材料等缺陷检测的应用中[2-5]。

电磁超声技术使用电磁耦合的方式激发和接收超声波,较传统的压电超声相比其信号强度低得多(仅为微伏级)。电磁超声信号往往会湮没在复杂的噪声背景中,使用传统的模拟滤波的方法很难得到较高信噪比。随着超大规模集成电路的发展以及计算机技术的进步,数字信号处理技术得到了广泛应用。应用数字信号处理方法可以方便地对电磁超声信号进行处理,提取缺陷回波信号,判别缺陷有无,识别缺陷特征等。然而,数字信号处理类型繁多,为验证算法有效性需进行算法的重复修改,而且需进行大量试验。为此,需要设计一种电磁超声数据采集及分析系统,以方便实现电磁超声发射/接收的控制、接收回波的采集以及算法的验证。

笔者设计了基于USB 传输方式的电磁超声数据采集系统,并通过虚拟仪器软件LabWindow s CVI 对电磁超声信号进行了数据分析和显示。最后,通过试验验证了系统的实用性。

1 系统总体结构框图

目前,EMA T 工作频率可以达到10 M Hz 以上,并且接收信号十分微弱,需要采集系统具有较高的采样速率和采样精度。电磁超声不同类型的波激发方式不同,这就需要系统可以灵活改变发射脉冲频率和周波数等。应用电磁超声,特别电磁超声导波线扫描方式,一次检测可达数米范围,因此采集系统必须具有较高采样深度。另外,电磁超声应用场合复杂,具有优异便携性的USB 数据传输方式无疑是本系统的首选。

根据实际检测需求,设计的电磁超声数据采集及分析系统数据采样率可达40 M SPS,采样位数为12 位,最大采样深度为1 M B;电磁超声发射脉冲周波数在1～100 个可调, 发射频率在10 kHz～20 MHz可调。

选用具有USB 2.0 传输速度的高速芯片,以实现高速的数据采集。充分利用了FPGA 的高速性和灵活性,实现对电磁超声数据采集和传输的控制。使用了大容量S RAM 作为数据缓存,采样深度高。采用图形显示表现优异、富含各种工具库的软件LabWindow s CVI 进行上位机软件编写,降低了软件开发难度、简化了编程。

基于USB 的电磁超声数据采集及分析系统总体结构框图如图1 所示。上位机通过USB 数据线与USB 接口芯片CY7C68013A 进行通信。系统开始工作时,首先在上位机软件界面中输入电磁超声发射的周波数、频率、重复周期、数据采集电路的采样率和采集时间等参数,再通过CY7C68013A 将参数传递到FPGA 芯片配置的寄存器中。FPGA 在控制发射电路发出超声波的同时,控制A/D 开始数据采集,同时将采集到的数据暂存在SRAM 中。采集结束后,FPGA 给C Y7C68013A 一个中断信号,C Y7C68013A 开始通过其内部通用可编程接口(General Programmable Interface,简称G PIF)配置的时序,在FPGA 的控制下将SRAM 中暂存的数据传输到CY7C68013A 内部FIFO 中,进而传输到上位机。上位机软件对采集到的数据进行处理和显示。上位机软件采用VC++设计USB 接口程序,采用LabWindow s CVI 设计分析系统软件。

2 FPGA 同USB 接口芯片的接口设计

GPIF 是USB 接口芯片CY7C68013A 的端点FIFO 的内部主控制器,它有4 个用户定义波形描述符(Waveform Descriptors)控制状态机。一般情况下,一个用于FIFO 读、一个用于FIFO 写、一个用于单字节/字读以及一个用于单字节/字写。GPIF 提供的外部引脚有输出(C TL[5 ∶0])、输入(RDY[5 ∶0]),数据总线(FD[15 ∶0])以及地址线(GPIFADR[8 ∶0])。

CY7C68013A 与FPGA 的连接方式如图2 所示。其中FPGA 通过锁相环输出时钟给IFC LK,以保证CY7C68013A 能够以40 M Hz 时钟读取缓存SRAM 中的数据。CT L0,C TL1 和CTL2 分别为单字写、单字读以及FIFO 读的触发信号。RESET 为FPGA 全局复位信号,S TART 为FPGA 开始采集控制信号。D_RDY 为FPGA 采集完成后给USB芯片中断信号,通知USB 芯片数据已经准备好,可以开始数据传输。

图2 USB 接口芯片与FPGA 的连接方式

笔者通过FPGA 设计了与CY7C68013A 的接口程序,在FPGA 内部设计了depth_L ,depth_H ,pluse_num,pluse_period 和sample_div 5 个16 位寄存器,分别表示电磁超声数据采样深度低位、高位、发射脉冲周波数、周期、采样分频比(40 M Hz 的分频比),可以通过CY7C68013A 设置或者读取寄存器的值。另外,由于使用的是12 位的A/D,笔者通过将其高位补零的方式扩展其为16 位,则采样时间t可以通过以下公式得到:

当上位机通知C Y7C68013A 开始数据采集时,由CY7C68013A 的PA3 给FPGA 一个S TART 信号,FPGA 控制A/D 采集, 将数据从A/D 暂存在S RAM 中。

以电磁超声钢板检测为例,假定电磁超声波在钢中的传播速度为3 000 m/s,则采用电磁超声脉冲反射法可检测的距离S可以用下式表示:

可以满足绝大多数场合的需要。

数据采集结束后,FPGA 给CY7C68013A 一个中断信号,这时候由CY7C68013A 的GPIF 把数据从S RAM 传输到C Y7C68013A 的片内FIFO 中,进而通过USB 接口传输到上位机。

3 USB 驱动及数据采集接口程序

Cypress 最新发布的开发套件使得C Y7C68013A 的使用更加趋向傻瓜化,用户已经无需在USB 驱动及接口程序的编写上大费周折。它包含了最新的驱动程序,支持Bulk,ISO,Interrupt和Control 传输方式,符合USB 2.0 协议的规定。

为了保证用户在无需了解USB 通信协议及API 函数的情况下,能够轻松进行电磁超声发射和接收参数的设置、数据的采集,笔者把针对USB 的各种操作(如查找一个固定设备、关闭设备、读数据、读控制字和写控制字等)封装起来, 通过Visual C++做成DLL ,这样便于程序的管理和重复利用,同时也保护了代码的知识产权。

4 数据分析软件

数据分析及处理软件采用LabWindow s CVI编写,可以实现对电磁超声发射和接收电路、数据采集电路的参数设置,超声回波数据的采集、处理、分析及显示等功能。

Lab Window s CVI 软件 以ANSI C 为核心, 将功能强大、使用灵活的C 语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机结合起来。它简化了图形用户设计,使用户很容易地生成各种应用程序[6]。

在Visual C++生成的DLL 文件需要使用Generate Import Library 功能将DLL 文件导出成lib 文件,以便LabWindow s CVI 调用。

为了进一步提高电磁超声接收信号的信噪比,以便分析计算,采用相关检测方法对接收回波进行了处理。相关检测用于描述不同随机过程之间或同一随机过程中不同时刻取值的相互关系,能够实现很好的消噪效果[7]。为此,笔者设计了基于自相关的处理方法,可以从复杂的回波中提取超声包络信号。自相关检测原理见图3。其中,v1,v2是不同检测周期下的EM AT 接收信号,v0为处理后的信号。两组接收信号均从发射后开始采集。由于探头位置固定,因此两信号所含缺陷回波几乎完全一致。而两组信号中的噪声是随机的,因此利用回波信号的相关性与噪声的随机性就可提取出缺陷回波。

图3 自相关检测原理图

在图3 中,两个带通滤波和1 个低通滤波分别选用了LabWindow s CVI 中自带的Butterw orth 滤波函数Bw_BPF()和Bw_LPF(),能够达到较好的滤波效果。通过对自相关检波后的波形施加适当阈值,即可计算得到各个回波位置。

在LabWindow s CVI 中笔者在系统进程基础上新建了一个数据采集线程,负责电磁超声数据的采集和处理。电磁超声数据采集及分析软件流程图如图4 所示。

图4 电磁超声数据采集及分析系统软件流程图

5 试验验证

为了验证基于USB 的电磁超声数据采集及分析系统的实用性,运用该系统对60 mm 厚的铝板进行了电磁超声测厚试验,图5 为系统上位机显示界面。图中可以看到两个波形。其中,上部波形为采集的电磁超声原始信号,下部波形为经过自相关处理后的信号。使用的电磁超声脉冲频率为2.08 M Hz,周波数7 个,采样频率40 MHz,采样时间200 μs,重复频率20 Hz。可以看到,处理后的波形具有较高信噪比,通过阈值处理后便可以得到各次回波时间,通过引入传播速度可以得到回波的声程,最终计算得到的1～4 次回波声程测量结果,测量误差在1%以内。

6 结论

采用USB 总线实现了电磁超声数据的采集,采样率可达40 M SPS,最高采样深度1 M B,能够根据需要合理调节电磁超声发射频率、周波数、重复周期,可以方便地改变采样率和采样深度等。通过LabWindow s CVI 设计的电磁超声分析软件可以与USB 设备灵活通信,能够实时地处理和显示电磁超声接收回波信号,能够自动判别回波声程位置等。该系统为进一步研究电磁超声数字信号处理方法提供了良好的试验研究平台。

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