多通道超声探伤总控系统的研究与设计

李卞俊，杨　录

(中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051)



多通道超声探伤总控系统的研究与设计

李卞俊，杨录

(中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051)

摘要：针对目前市场上超声探伤仪通道数少、检测效率低的缺点，提出了一种基于FPGA的多通道超声探伤总控系统。FPGA的使用提高了数据处理能力，可实现单通道单点采样，增强了系统的稳定性和实时性，并且利用Cypress USB芯片与上位机通信，提高了检测速率与精度，适用于生产过程中的大批量、高效率检测。实验表明，系统性能稳定，精度高，批量大，有广阔的应用前景。

关键词：超声探伤；单点采样；总控系统；现场可编程逻辑门阵列

目前国内研制的超声探伤仪器大致可分为两种[1]：一种是便携式探伤仪，但是便携式探伤仪器扫查的速度慢，效率低，而且部分仪器是基于单片机所研制的，单片机资源有限，而且执行效率不高，不利于大批量的工件检测[2]。另一种是多通道超声探伤仪，而多通道探伤仪由于数据吞吐量较大，采样的实时性是多通道超声探伤系统的技术关键。

1检测方案与缺陷识别方法

本方案采用水浸式脉冲发射法，在检测过程中，探头会接收到多个波，依次为始发波、水钢界面波、钢底波以及可能存在的伤波，调整合适门选信号，选出存在的缺陷信号，根据缺陷信号进行判伤[3]。为了提高判伤的准确率，采用双探头检测，如图1所示。

图1　检测方案示意图

超声波在金属材料中传播时，材料中的不连续会对超声波产生影响，实质为材料特性对超声波进行调制，因而，对透射波和反射波进行解调即可得到材料内部不连续的特性[4]。

2多通道超声探伤仪总体硬件结构

多通道超声总控系统由上位机软件和下位机硬件系统两部分组成。硬件主要由探伤电路板、高压模块、20通道探头和FPGA采集模块构成[5]。

数字超声总控系统的硬件结构如图2所示，整个系统通过前端的发射部分向探头发出触发脉冲产生超声始波信号，并接收探头探测到的回波信号，通过后端的FPGA核心处理单元进行采样控制，继而通过USB芯片实现与上位机的通信，将探伤数据传至上位PC机完成波形显示等后期工作，同时还将上位机传送的控制参数传至探伤电路板实现工作方式或参数的改变。

图2　20通道超声总控系统硬件结构图

2.1超声发射电路

超声发射接收电路在窄脉冲触发信号的控制下，产生激励超声探头的高压控制信号，从而实现了超声波发射[6]。超声波发射电路主要包括触发信号产生电路和高压脉冲电路。MOS管8N80的驱动电压为12 V，然而采集与控制电路输出为5 V的脉冲信号，不能够驱动功率管，所以采用TC4427去驱动8N80工作，输出端产生激励探头发射超声波的负高压脉冲。发射信号受FPGA芯片控制。

2.2超声接收电路

为了提高电路的通用性，使设计的电路能应用于各种情况，在接收电路中设计了0～60 dB的衰减[7]。超声发射接收电路能够在门控信号下对超声回波进行截取，只要闸门的前沿和宽度调节合适即可去掉超声的始发波和钢底波，而将有用的超声缺陷信号送给峰值保持电路。数据采集系统采集峰值保持电路保持的闸门内超声缺陷信号的最大值，最终根据最大值进行缺陷判定。

2.3信号采集卡电路

信号采集卡电路是采集转接板送来的信号，经ADC转化后通过USB芯片传至上位机。硬件系统的总体控制由Cyclone的FPGA芯片完成，采用20 M的时钟晶振。ADC芯片选用EXAR公司的8位高速模数转换器MP7690，MP7690具有三种采样时序：第一种是连续给脉冲信号进行采样；第二种是给出两个连续负脉冲信号进行采样，当脉冲信号为高电平时，MP7690的比较器处于平衡状态并且准备对模拟输入信号采样，此种模式吸收VDD上的最大电流；第三种是给出两个连续正脉冲信号进行采样，此种模式将比较器至于浮动状态，在实际采样脉冲前必须给一个平衡脉冲，由于比较器输入是浮动的所以IDD是变化的[8]，由于系统时钟为上升沿有效，所以选用第三种采样模式。

3FPGA下位机程序设计

FPGA下位机程序采用VerilogHDL语言，在Quartus II环境下完成开发，采用模块化设计思想进行程序设计。本下位机系统分为五个模块。整体模块框图如图3所示。

图3　FPGA模块框图

重点模块如下：

3.1发射门控模块

此模块根据USB通讯控制模块工作模式参数，在不同工作模式下，给出20通道的触发信号和门控信号。在检波模式下，上位机选择所选的通道给出触发和门控信号，其余的通道不给触发；在峰保模式下， A通道和B通道交替给出触发，时间间隔500 μs，相同通道之间间隔1 ms实现单通道1 kHz的采样频率。门控信号由每个通道在检波模式下设置的参数给出。

3.2采样控制模块

此模块接收USB通讯控制模块命令和参数，实现数据采样，该模块中包含检波模式和峰保模式两个子模块。在检波模式下，以触发信号为基准，采集1K数据送至数据FIFO模块；在峰保模式下，以触发信号为基准延时50 μs采样，每个通道单点采样送至数据FIFO模块，直至FIFO满停止采样，工作时序图如图4所示。CLK为时钟信号，AFS为A组触发信号，BFS为B组触发信号，ADDR是通道地址，AD_CLK为ADC的时钟脉冲，AD_OE为ADC的使能端，WRREQ是写FIFO请求。

图4　峰保单点采样工作仿真时序图

4上位机程序设计

上位机应用程序开发环境采用Visual Studio 2013，基于MFC库开发。上位机分为四个功能模块：检波调试模块、参数设置模块、检测模块以及数据统计模块[9]。

检波调试模块主要用于与超声探伤仪的通信，通信采用赛普拉斯公司提供的CyAPI库函数开发，包括上位机的参数(包括通道选择、增益、门前沿和门宽参数设置)和探伤仪采样数据的读取，该模块采用双缓冲绘图技术进行检波波形的显示；参数设置模块是用于上位机与PLC工控机通讯，采用串口通讯，包含工件的型号、采样点数以及判伤参数的设置；检测模块是根据检波调试模块的参数设定进行峰保采样，再将采样数据算法处理进行判伤；数据统计模块主要是基于Access数据库实现，该模块包含系统检测时间、检测员、产品类型、检测工件数量、废品个数以及系统使用统计信息，并具有检测报告打印功能。该上位机人机界面友好，操作简单。

5数据分析与处理

由于生产车间环境复杂、PLC控制系统影响和电机的干扰，导致采回的信号会存在噪声，所以需要进一步的处理提取缺陷信号进行判伤。

经分析数据可以看出，采回的信号存在奇异点，而且信号的基线也被抬高，如图5(a)所示。对信号去奇异点，再对信号去除抬高的基线，最后对数据进行滑动平均处理并放大得到缺陷信号，就能够有效地进行判伤。截取B探头有伤部分信号为例，如图5所示。

图5　数据处理

由于缺陷信号是有周期性的，将前一周期的信号和后一周期做自相关，自相关函数大于某一阈值时，判别为伤。算法处理简单有效，所以本系统可以进行高效的判伤。

6总结

本文介绍了多通道超声总控系统的设计，讨论了超声探伤仪硬件总体结构、前端超声收发模拟电路的设计与后端FPGA程序的设计与实现。FPGA执行效率高，可实现多通道的数据采集，大大提高了检测的量程；数据处理算法简单高效，在上位机中直接进行处理和判伤，提高了检测的效率和精度。采用USB与上位机通信，即插即用、方便有效。本系统在实验调试和工厂使用过程中表明，人机交互友好、检测效率高、缺陷识别精度高，在筒形钢制材料缺陷检测领域得到很广泛的应用。

参考文献

[1]蒋危平，田建新，王子诚.数字化超声波探伤仪十五年技术进展[J].无损检测,2004,26(3):145-148.

[2]李建.便携式数字化超声波检测仪器的研究[D].西安：西安科技大学,2005.

[3]张刚.水浸超声扫描检测系统的设计[D].太原：中北大学,2012.

[4]杨顺民.超声在线检测信号处理研究及其通用软件平台的研制[D].太原：中北大学,2005.

[5]王艳，韩啸，张礼君.基于FPGA的数字超声轮轴探伤仪硬件设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2011(2):65-67.

[6]李勇峰，杨录，张艳花.超声探伤仪收发电路的改进研究[J].仪表技术与传感器，2013(7)：38-41.

[7]何光祖.基于USB2.0的多通道超声检测系统的设计[D].太原：中北大学,2014.

[8]EXAR Exar Corporation.MP7690A DATASHEET[Z].1998.

[9]朱晛，沈祥华.基于FPGA的八通道超声探伤系统设计[J].电子设计工程，2013,21(9):164-166.

Research and Design of Multi-channel Ultrasonic Detecting Control System

Li Bianjun, Yang Lu

(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:Considering the disadvantages of the ultrasonic flaw detectors on the current market, such as fewer channels and low efficiency of detecting, the paper puts forward the multi-channel ultrasonic detecting control system based on FPGA. The using of FPGA improves the ability of data processing, and realizes the signal-point sampling on signal channel, also improves the stability and instantaneity of the system. With the using of Cypress USB chip, the speed and precision are improved, so the system can be used to detect with large quantities and high efficiency in the process of production. The experiment shows the system has stable performance, high precision, large range, and will have a broad application prospect.

Key words:ultrasonic detecting; signal-point sample; total control system; FPGA

中图分类号：TP274.2

文献标识码：A

文章编号：1674- 4578(2016)01- 0083- 02

作者简介：李卞俊(1990- )，男，江苏人，硕士研究生，主要从事工作：超声无损检测与信号处理。

收稿日期：2015-09-30