基于DDS和FPGA的数字式多脉冲激励超声检测系统设计

张　宇，王雪梅，倪文波

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

基于DDS和FPGA的数字式多脉冲激励超声检测系统设计

张宇，王雪梅，倪文波

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

针对现有超声波检测系统发射脉冲单一、设计复杂等不足，设计一个以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的数字式超声检测系统。采用直接数字合成（DDS）技术，通过可编程方式控制超声波激励信号的产生。检测系统能够针对不同检测需要，灵活设置和选择不同波形、频率、脉冲宽度和脉冲数的激励信号，从而提高检测能力和适应性。试验结果表明：多脉冲激励方式能够在较低的激励电压下，获得更强的超声回波信号，实现工件内部更深范围内缺陷的有效检出。

直接数字合成；现场可编程门阵列；超声波检测；高速数据采集；多脉冲激励

0　引　言

超声波检测是工业无损检测中应用最广泛、研究最活跃的方法之一［1］。传统的模拟式检测仪器测量过程复杂、发射脉冲单一、精度低、误差大、回波信号存储和再现困难。数字式超声波检测仪器以微处理器为核心，按预先设置的程序，自动对仪器进行控制，实现缺陷数据的采集、判别、存储以及显示等功能，具有动态范围大、准确度高、稳定性好、使用灵活、方便等优点［2］。

在工业超声检测中，对不同的探伤材料和探伤厚度，往往需要配合不同谐振频率的探头，采用不同脉冲宽度、不同波形和不同重复频率的激励信号［3］。而传统的超声波发射电路，无论是谐振式还是非谐振式，往往只能产生一种形式的激励信号——连续波或脉冲波，其激励信号的波形、脉冲宽度、幅度和频率等参数均由电路结构或探头材料确定，不能按照需求方便地进行调整，在实际应用时存在很大的局限性。

本文基于DDS原理，在FPGA硬件平台上，辅以高速A/D转换芯片，设计了一可灵活选择和设置激励信号种类和频率的数字式超声检测系统，并对单脉冲和多脉冲激励下检测系统的灵敏度和分辨率进行了实验分析［4］。

1　系统总体方案设计

数字式超声波检测系统的总体方案的原理框图如图1所示，系统包含激励模块、回波信号调理模块、数据采集模块、主控模块、传输和存储模块［5］。激励模块基于DDS原理，通过编程来选择激励信号的种类和频率，以适应不同的检测需求，获取最佳的包含缺陷信息的回波信号，提高检测系统的分辨力和适应性。回波信号调理模块是对探头接收的回波信号进行限幅和滤波处理，滤除回波信号中包含的高压和噪声的干扰，然后再将包含有缺陷信息的微弱回波信号放大到适当的幅值，以便于输入A/D进行数模转换。数据采集模块是对放大后的回波信号进行数据采集，数据采集是由FPGA控制A/D进行。工业探伤中，超声波中心工作频率可高达5MHz，因此本系统中选用最高采样频率为40MHz的A/D转换芯片-TLC5540，采样控制时钟由FPGA内部的锁相环（PLL）产生，能够通过软件编程灵活进行选择和设置［6-7］。

图1　系统总体结构框图

整个检测系统以FPGA为核心控制单元，采用Altera公司的CycloneⅡ器件EP2C35F672，该器件含有丰富的逻辑单元和高速稳定的系统时钟，主要完成时序控制、数据处理和传输控制等功能。

2　基于DDS的激励信号产生

DDS是一种新型的数字频率合成技术，易于实现频率、相位以及幅值的数控调整，具有相对带宽大、频率转换时间短、分辨力高和相位连续性好等优点。基于DDS的超声波激励信号产生原理框图如图2所示。

图2　基于DDS的激励信号产生原理框图

在系统时钟作用下，相位累加器对频率控制字进行线性累加，此时，相位累加器的输出数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS的输出信号频率。同时，用相位累加器的输出数据作为波形表（ROM）的相位抽样地址值，就可以得到波形的二进制编码，完成相位到幅值的转换。D/A转换器接收到来自波形表（ROM）的输出，并将数字信号转换成模拟信号，得到所需的激励信号。

本系统用Verilog语言编写波形发生程序，DDS的输出信号频率由下式给定：

式中：fout——输出波形频率；

M——频率控制字；

N——相位累加器位数；

flk——系统时钟频率。

本检测系统的时钟为120 MHz，N由软件设置为32位，M定义为6位16进制数，由按键控制设置，改变M（0～FFFFFF）就可以产生0～500kHz任意频率的输出，从而改变输出信号频率。波形表ROM由QuartusII软件内部的宏单元LPM_ROM定制实现，存放不同类型的波形文件。输出波形由存在ROM中的波形数据文件决定，可通过“波形”按键控制选择，从而得到多脉冲或单脉冲的正弦波、三角波、方波等不同的输出波形。图3为单脉冲和多脉冲三角波波形。

原试验样机功率电路包括 2 个输入电压传感器、2个熔断器、2个输入滤波器、2 个接触器、2 个支撑电容、IGBT 模块、2 个输出电流传感器、输出电抗器等主要部件。经过分析和试验，在保持原电路功能和性能不下降的基础上，功率电路简化为 1 个输入电压传感器、 1 个熔断器、2 个输入滤波器、2 个接触器、2 个支撑电容、IGBT 模块、1 个输出电流传感器。经过简化后的电路，节省了成本，又提高了系统可靠性，在长沙磁浮快线上未发生悬浮控制器功率部件可靠性问题。

图3　单脉冲和多脉冲三角波

在相同激励电压下，脉冲宽度τ越窄，产生的超声波能量越低，系统可辨别距离越小，分辨能力则越强；在相同的脉冲宽度下，在一定的范围内，一个周期T内脉冲的个数越多，超声波发射强度越大，可探测的深度越大，探测能力就越强，所以可根据不同的检测条件，灵活选择不同的激励信号波形、脉冲宽度和一个激励周期内的脉冲数。

在实验室条件下，采用CSK-1A标准试块的底面（100 mm厚度）来模拟实际工件内部相同深度位置的缺陷。由本系统DDS模块产生幅值为3.3V、脉冲宽度相同且τ=32ns、不同脉冲个数的三角波激励信号去激励探头（CTS-22型超声探伤仪所配备的宽带窄脉冲探头），检测标准试块底面回波，可获得多次回波信号。实验得到的回波波形干净，且当脉冲数为5时，幅值最大可达到60mV，表明即使在3.3V的低电压激励下，利用多脉冲激励仍然可以获得足够强度的超声反射回波信号，实现缺陷的检测。实验中得到的回波信号幅值和激励脉冲个数关系如表1所示。

表1　不同脉冲个数激励情况对比表

可以看出，在相同的激励脉冲宽度条件下，当脉冲个数达到5之后，再继续增加脉冲个数，回波信号幅值呈下降趋势，检测效果变差。同时，增加一个周期内的脉冲个数，检测的分辨率会随之降低，分辨率检测会在后文进行进一步的实验分析。

3　超声信号检测系统

3.1回波信号调理电路

超声波检测系统在检测缺陷时，回波信号电压只有几十毫伏，同时回波信号中包含有发射信号和大量的噪声信号，因此需要对回波信号进行相应的预处理，使之满足探伤对检测信号和A/D芯片对输入信号电压的要求，才能进行数据采集。回波信号的调理电路主要包括限幅保护、程控放大和有源带通滤波电路［8-9］。

由于系统发射和接收共用一个探头，所以接收到的信号除了回波信号之外，还包含着发射信号。如果不对发射信号进行限幅，就可能会损坏接收电路，为了避免接收放大电路被发射信号击穿损坏，本系统采用两个瞬态二极管负极相连，组成双向瞬态电压抑制电路，双向抑制电压为-5～5V，如果回波信号超过该幅值，电路会瞬态导通。只有幅值在范围内，才能够传向后级的放大电路。该双向瞬态电压保护电路不仅保护了后级的调理电路，同时也提高了接收通道后续电路的抗阻塞特性。

程控放大电路是整个调理电路的核心，确保系统获得完整、非失真，满足A/D输入电压要求的回波信号。本系统采用两级放大电路，第1级由运放AD8099构成固定增益电路，第2级由运放AD8000和模拟开关ADG611构成可调增益电路。ADG611由FPGA的4个I/O口控制，实现其导通和关闭。程控放大原理图如图4所示，放大电路采用同相比例放大电路设计，放大倍数（AU）计算公式为AU=1+Rf/Ri，式中Rf代表反馈电阻（如图4中的R3），Ri代表基阻（如图4中的R2）。

本系统固定增益电路放大倍数为10倍，可调增益电路的可选放大倍数为2、3和5，所以程控放大倍数可达到50倍。一般回波信号的幅度是-60～60mV，所选的A/D芯片的输入电压要求是-2～2 V，经过程控放大可使回波信号放大到适合A/D输入的电压，充分满足了检测系统对增益的要求。

图4　程控放大电路

超声检测所用的探头的中心频率通常为2.5，5MHz两种，回波信号也主要集中在中心频率附近的一个比较窄的频带上。为了排除噪声干扰，提取感兴趣的检测信号，在信号调理电路中设计了两个二阶有源带通滤波器，其中心频率分别为2.5，5 MHz，可以根据实际使用的探头在两种不同中心频率的带通滤波器之间进行选择，提高了检测系统的适应性和灵活性。二阶有源滤波电路由低通滤波电路和高通滤波电路串联构成，以中心频率为2.5 MHz带通滤波器为例，在设计时令R26=R25=R，R27=2R，C29=C30=C，首先选定C为100pF，再根据中心频率公式f0=1/（2πRC）就可以计算出电阻R的阻值，最后根据品质因数、带宽及电路放大倍数等性能参数计算出其他各元器件的数值。

本检测系统选用运放AD8000作为有源器件，AD8000是ADI公司的超高速运算放大器，带宽为1.5GHz，压摆率高达4.1kV/μs，输入电压为-5～5V，充分满足了信号处理的要求。

3.2A/D数据采集电路

超声波信号频率高，在钢质材料中，超声波纵波的传播速度达到5970m/s，在薄壁材料中，超声波的传播时间非常短暂，所以必须采用较高的检测频率才能获取完整的信号波形并在短时间内尽可能多地捕获到超声回波中所包含的缺陷信息。本系统中采用的探头的中心频率为2.5，5MHz，为了获得较理想的信号波形，采样频率至少应分别达到20，40MHz。分辨率是一个A/D芯片能够分辨的最小模拟量，是模数转换中的另一个重要参数。本系统采用TI公司的8bit分辨率、每秒40MHz采样频率的A/D转换芯片TLC5540。该芯片控制简单，只需给定一个启动时钟信号，就可以完成数据转换和传输等控制。TLC5540的时序图见图5。输入信号在时钟的下降沿被采样，延迟2.5个时钟后输出，数据在时钟的上升沿被读入。此外，由于TLC5540采用了一种改进的半闪结构及COM工艺，其功耗只有75 mW，内置采样保持电路，且模拟输入带宽高达75 MHz，可以很好地满足超声检测系统的要求。

图5　TLC5540的时序图

4　系统软件设计

FPGA是一种可再配置的数字逻辑电路，数字系统的设计其实就是软件的设计［10］。系统应用软件是在Altera公司Quartus II 9.0编译环境下采用Verilog语言开发设计的。在本系统中使用 FPGA逻辑实现的功能有：激励信号的产生、A/D采样控制时钟信号的产生、A/D转换数据的采集控制和采集数据的缓存等。

在整个超声波检测系统中，不同的模块所采用的时钟也是不同的，只需要改变PLL的参数设置和输出频率值，就可以为每个模块提供不同的时钟信号，因此，时钟可以根据探头的中心频率和实际情况进行合理的设置。

整个系统软件的主程序流程图如图6所示，主程序除了对系统初始化外，还对每个子模块程序提供时序控制和逻辑控制，调用各个模块并使其协调工作。当有按键按下时，系统产生激励信号，并依次实现系统的各项功能，最终达到检测缺陷的目的。

图6　系统软件主程序

图7是其中的A/D数据采样缓存及传输子模块的程序流程框图。只要给A/D转换芯片一个时钟信号，A/D就能自动进行数据采集，然后根据FIFO指令，再进行数据存储。当FIFO写使能信号有效，A/D采集到的数据开始写入FIFO，如果接收到FIFO满命令，就停止采样和缓存，向PC机接口模块传输使能信号，此时FIFO在读时钟的作用下将数据依次输出并保存在PC机上，当接收到FIFO空命令，则读使能信号无效，不能再继续读出数据，系统返回到“开始”状态，继续下一次采样存储。

图7　A/D采样缓存及传输程序

5　实验验证

为了检验所设计系统的基本性能，在实验室条件下，基于标准试块进行了缺陷检测，测试方案如图8所示。在实际检测中，通过示波器观察回波信号波形，通过回波信号和激励信号的时间差以及回波信号的幅值，来判断工件内部缺陷的有无和位置。

图8　实际测试方案

实验中，分别用同一发射频率的不同波形（包括：三角波、方波、正弦波）的激励信号激励中心频率为2.5，5MHz的直探头，对图9所示CSK-1A标准试块（100mm厚度）的同一底面进行检测，用示波器观察回波信号，结果显示回波信号的幅值大小为三角波最大，正弦波最小，方波居于二者中间，故本系统的激励信号最后选择三角波信号。用DDS方式分别产生幅值为3.3V、周期为90μs、单脉冲宽度τ=32ns的单脉冲和脉冲数为5的多脉冲三角波去激励探头，对标准试块进行实际测试。具体试验如下：

图9　标准试块底面检测和阶梯槽口检测

1）在材料声速已知的条件下，将中心频率为2.5MHz的直探头放置在图9所示标准试块位置1，分别用单脉冲三角波和多脉冲三角波激励，前后移动探头，在示波器上观察并找到100mm厚度底面的最高反射回波，两种不同激励条件下所产生的回波波形分别如图10和图11所示，由回波波形可看出，两种激励波形的检测深度均能达到10cm，但多脉冲三角波激励的能量更强。可以看到，在多脉冲激励下，一次最大底面回波幅度是起始波的75%，二次最大底面回波幅度是起始波的20%，三次最大底面回波幅度也有起始波的10%。但在单脉冲激励下，一次回波幅度只有25%，二次回波几乎无法辨别。可见，在多脉冲激励下能得到更强的反射回波，从而检测埋藏得更深的缺陷。

2）在材料声速已知的条件下，将中心频率为2.5 MHz的直探头放置在图9所示标准试块位置2上，分别用上述相同的单脉冲三角波和多脉冲三角波激励，前后移动探头，找到标准试块上与探头位置相对的，靠得很近的3个阶梯槽口的反射回波，在一个周期T内，选用不同的脉冲个数，观察发现，当脉冲个数超过5个，3个阶梯槽口的回波就混叠在一起，无法进行准确的分辨。图12和图13所示的是5个脉冲和单脉冲激励下所产生的回波信号，由回波波形可看出，单脉冲的三角波激励的回波信号清晰可辩，对靠得很近的3个阶梯槽的分辨能力更强。

图10　多脉冲三角波激励底面回波信号

图11　单脉冲三角波激励底面回波信号

图12　多脉冲三角波激励槽口回波信号

图13　单脉冲三角波激励槽口回波信号

对本检测系统，经过多次试验反复验证，得出当缺陷埋藏较深（10cm附近）的时候，用5个脉冲的三角波信号检测缺陷，回波信号幅值最大，回波信号的效果最好；当缺陷分布位置接近（相距2 mm）的时候，用单脉冲三角波信号检测效果最好，可以很好地分辨各缺陷。实际测试也表明，整个检测系统的检测效果良好。

6　结束语

本系统采用DDS和FPGA相结合的方式构建了数字式超声波检测系统，实现了激励信号波形可编程，能够根据不同的检测需要，灵活的设置和选择激励信号的脉冲宽度和脉冲个数，提出了低电压下采用多脉冲激励的方式能获得足够强度的超声波，实现一定深度范围内缺陷的有效检测。

［1］王雪梅.无损检测技术［M］.成都：西南交通大学出版社，2010：19-31.

［2］郑超.基于FPGA和DSP的超声波检测系统设计 ［J］.中国测试，2010，36（6）：53-56.

［3］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.

［4］孙昊.基于FPGA和DDS的信号源设计［D］.成都：电子科技大学，2009.

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［7］胡建恺，张谦琳.超声检测原理和方法［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，1993：53-70.

［8］李晓伟.基于FPGA的便携式超声无损检测仪研制［D］.北京：北京工业大学，2012.

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［10］张颜艳，吴伟.基于FPGA的超声信号采集系统［J］.无损探伤，2010，34（4）：18-19.

（编辑：刘杨）

Design of digital multi-pulse excitation ultrasonic testing system based on DDS and FPGA

ZHANG Yu，WANG Xuemei，NI Wenbo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A digital ultrasound detection system based on field programmable gate array（FPGA）was designed in view of the deficiency of the current ultrasonic testing system such as single transmission pulse and complicated design.The system adopts direct digital synthesis（DDS）technology and programmable controlling method to control the generation of ultrasonic excitation signals.Theexcitationsignalsofdifferentwaveforms，frequencies，pulsewidthsandpulse numbers can be flexibly set and selected for different testing demands，thus improving the capability and adaptability of detection.The experiment results show that much stronger ultrasonic echo signals can be obtained at a lower excitation voltage and the defects within a deeper range of the workpiece interior can be detected through this multi-pulse excitation method.

DDS；FPGA；ultrasonic testing；high speed data acquisition；multi-pulse excitation

A

1674-5124（2016）06-0074-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.017

2015-08-22；

2015-10-08

张宇（1989-），女，吉林松原市人，硕士研究生，专业方向为无损检测。