具有预触发采集功能的超声波检测系统的设计与实现

齐文博，刘培洵，郭彦双

（中国地震局地质研究所 北京100029）

具有预触发采集功能的超声波检测系统的设计与实现

齐文博，刘培洵，郭彦双

（中国地震局地质研究所 北京100029）

针对软件自动测定岩石样品的超声波速需要精确测算超声波到时时刻的要求，设计了具有预触发采集功能的超声波检测系统。该系统的预触发采集功能可使软件依据预触发采集数据的噪声水平正确判定超声波到时时刻。系统采用幻象电源供电的前置放大器调理超声波信号，可实现信号远程传输和输入阻抗匹配。此外，系统基于FPGA方式主控，易于更改和扩展功能；并且借助USB2.0接口进行控制命令和采集数据的双向高速传输。超声波检测系统的输入过压保护、可调采样率、可调采样总长度和可调预触发长度等特点拓宽了检测系统的使用范围。经实验实测表明：该系统的预触发采集功能可提高软件自动判读超声波到时时刻的准确度，具有很高的实用价值。

超声波；预触发采集；前置放大；幻象供电；USB2.0接口

软件自动测定特定岩石样品的超声波速时，超声波的到时时刻需要尽可能精确[1-3]。通常采集卡的触发后采集功能并不能有效地判断超声波到时时刻位置，这往往是由于采集卡本身噪声叠加在超声波信号中导致超声波到时时刻位置判断错误；若计算软件能够得到触发前时刻的采样数据基线噪声大小，则可依据基线噪声水平准确判定超声波到时时刻，大大减小错误判断超声波到时时刻的几率。

1 系统架构

如图1（a）所示，软件在触发时刻（发射超声波到岩石样品时刻）采集超声波信号，采集卡本体噪声会大大增加误判超声波到时时刻的几率，若如图1（b）中，软件在触发时刻前便采集到超声波的基线噪声数据，则会大大降低超声波到时时刻的误判几率。基于此，本文设计了一种具有预触发采集功能的超声波检测系统，该超声波检测系统应用于岩石的超声波速测定时可以提高软件自动判读超声波到时时刻的正确率，且其具备幻象供电[4-5]方式的前置放大器，输1入过压保护、高转换速率高分辨率、低噪声和采样率连续可调等特点。超声检测系统采用FPGA主控外围芯片的方式进行工作，这样易于更改和扩展功能[6-7]；cy7c68013A芯片接收上位机命令并传送给FPGA，FPGA解析命令后控制外围高速ADC芯片和存储器芯片进行超声波信号的数字化转换和存储，之后FPGA再将外围存储器里的数据通过cy7c68013A芯片回传给上位机。系统整体的架构见图2。

图1 超声预触发采集与触发后采集比较图

图2 超声波检测系统实现框图

2 超声波检测系统的设计与实现

2.1 超声前置放大电路

本文设计的超声前置放大电路[8-9]采用幻象电源进行供电；输入电源和输出信号均通过单根同轴电缆进行传输，这样既减少了接口，节省了成本，又可实现远距离信号传输。前置放大电路核心部分采用三级同相放大，第一级采用AD8030运放放大信号20 dB，第二级和第三级总的信号放大增益为20 dB，各级间采用交流方式耦合。放大后的信号由ADA4805-1组成的两阶巴特沃斯低通滤波器[10]滤除额外的噪声。输出信号和输入电源由电容C1和电感L1隔离开来，且串扰到L1支路的交流放大信号和电源纹波噪声和串扰被L1端接的大电容C2滤除。前置放大电路的输入端集成了输入过压保护电路，可防止高压输入损坏器件。整个前置放大电路示意图如图3所示。

前置放大电路的直流输入阻抗设定为Ri=1 kΩ，输出阻抗Ro=1 kΩ，尽量减少输入端耦合进来的噪声。放大电路带宽的下限频率满足公式（1），上限频率满足公式（2），此处设定为10 kHz～2 MHz。为防止输入电源纹波噪声在P2信号输出端耦合到交流放大信号中去，设计需要将前置放大电路的交流放大下限截止频率Fmin设为10倍的L1和C2组成的低通滤波器截止频率。

2.2 ADC接口电路

图3 超声前置放大电路

设计采用Linear公司的LTC2249作为整个检测系统的模数转换部件，该芯片最高工频率为80 MHz，具有14位转换位数。芯片在时钟的上升沿将外部输入的差分模拟信号转换为数字信号，为此设计需要将前置放大器输出的调制信号经过图4中由C5、R5、R6和L2组成解调器分离出前置放大器电源和超声交流放大信号，之后LT6600芯片再将超声交流放大信号转变为合适电平的差分输入信号。主控FPGA芯片XC3S200提供给LTC2249所需的高质量低抖动转换时钟CLK，同时读取ADC转换芯片的转换结果并存入指定的外部存储器中。

图4所示的ADC接口电路示意图中，R3、R4和C2、C7组成的抗混叠滤波器[11]可避免信号带宽外的噪声耦合入ADC转换芯片；R5、R6调整前置放大器输入信号电平在-1～+1 V内，且使得LT6600输入端阻抗为1 kΩ，从而与2.1节中的前置放大器实现阻抗匹配。

图4 ADC接口电路

2.3 预触发采集功能的实现

预触发采集模块分为两部分：1）ADC数据写入模块；2）传输数据读取模块。首先划定两个固定的存储区域sram1和sram2，长度都为L，sram1地址范围为0～L1，sram2地址范围为L1+1～L2。系统复位后，FPGA先不间断且循环地将ADC芯片转换的14位数据写入sram1中，若在sram1的地址S1点处FPGA接收到外部输入的触发信号，则FPGA将继续往地址S1之后的存储区域写入ADC数据直到sram1地址L1处；同时，FPGA将写入空间转换到sram2，并重复与sram1相同的操作。此时，sram1中地址0～S1的数据为触发前采集数据，地址S1+1～L1的数据则为触发后采集数据。

单次预触发采集结束后，上位机通过USB2.0接口将采集数据读取到指定的PC存储区域中去。FPGA中USB双向传输模块读取采集后的数据，用Slavefifo方式传递给上位机[12-13]；传输数据读取模块管理sram1或sram2中的数据并传递给USB双向传输模块。FPGA程序在ADC数据写入模块中定义一个二进制的当前存储区域标志wr_flag，每当ADC数据写入模块中的存储区域改变时，wr_flag值就改变一次，传输数据读取模块检测到wr_flag跳变时，就由idel状态进入到triger状态产生一个单周期的USB读取触发信号，触发USB双向传输模块从USB传输数据读取模块中读取数据并传输到上位机，与此同时传输数据读取模块由triger状态进入到active状态输出存储数据，完毕之后，再返回到idel状态等待下一次wr_flag跳变。传输数据读取模块的状态机示意图如图5所示。机传送的控制命令进而调整采样时钟频率、采样总长度、预触发采样长度等参数；上行传输模块在检测到传输数据读取模块产生的触发信号后，开始传输ADC采样数据到PC机中。整个USB2.0双向传输模块的状态机如图6所示。

图5 传输数据读取模块状态机

图6 USB2.0双向传输模块状态机

2.4 USB2.0高速双向传输功能的实现

超声波检测系统采用USB2.0接口进行双向数据传输：1、下行传输模块-上位机软件传输控制命令到FPGA芯片；2、上行传输模块-FPGA芯片传输ADC采样数据到PC机。为最大程度地提高双向数据传送速率，USB2.0芯片CY7C68013A与XC3S200之间采用slavefifo方式通信；下行传输模块解析PC

3 试验研究

实验采用超声波一发一收[14]工作方式；Olympus NDT公司的5077PR高压脉冲发生器生成200V的负高压脉冲激励发射换能器在岩石样品中产生超声波，超声波检测系统检测超声波信号。实验平台和系统如图7所示。

图7 USB2.0双向传输模块状态机

图7（a）中两块楔形大理石组成的平台中间预留20 cm宽度的断层空间模拟野外的天然地震断层带[15-16]，断层中填充环氧树脂来模拟地震断层中的断层泥，整个平台的宽度为400 mm，长度为743.4 mm，高度为401 mm。图7（b）为整个平台的侧面示意图，选取图7（b）中 A 点（523.4，260，373）位置埋藏的超声发射换能器激励超声波用以模拟天然地震的震源，超声波检测系统检测在B点（130，200，400）位置粘贴的超声接收换能器接收到的超声波信号。图7（c）为本文设计的超声波检测系统实物图。

超声波检测系统的采样率设定为50 MHz，采样总长度为256K字，预触发采样长度为采样总长度为的20%，则得到图8（a）所示的超声波信号。图8（a）中，竖线P点之前的波形为预触发采集数据，P点之后的波形为触发后采集数据，同时超声波检测系统在P点位置触发5077PR发射超声波。由图8（a）知，检测到的超声波信号具有较高的信噪比，检测系统上位机软件可依据P点之前预触发采集数据估算超声波信号背景噪声水平，从而自动准确地区分P点之后的背景噪声与超声波到时时刻F。

从图8（b）中F点反映的超声波到时时刻可知，超声接收换能器在1 116.66 μs处接收到超声波信号，距离 P点的时间差为65.66 μs。图8（b）中 AB 两点之间的实际距离d=398.864 mm，由此计算得岩石样品的超声波速为6074.688 m/s，符合实际的大理石中的超声波波速范围，这解决了触发后采集所带来的超声波到时时刻定位不准确的问题。

图8 超声波检测波形

4 结 论

1）所研制的超声前置放大器采用幻象电源供电，这使得输入电源和输出交流信号可通过单根同轴电缆传输，且其具有输入过压保护，低输入阻抗和低输出阻抗的特点，可与后置ADC接口电路输入端实现阻抗匹配。

2）所研制的超声波检测系统采用FPGA主控架构模式，易于更改和扩展功能，且具有最高80MHz采样速率、14位数据分辨率、USB2.0双向传输接口等特点，满足高速检测岩石中超声波波速的要求。

3）试验研究结果表明，所研制的超声波检测系统的预触发采集功能能正确地采集触发前超声数据与触发后超声数据，且检测到的超声波具有较高的信噪比，能帮助上位机计算软件自动正确定位超声波到时时刻。

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Design and implementation of ultrasound inspection system with pre trigger acquisition function

QI Wen-bo，LIU Pei-xun，GUO Yan-shuang
（Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

In this paper，an ultrasound inspecting system with the function of pre-trigger acquisition is designed，which is for propose of accurate estimation of the arrival time of ultrasound when rock's ultrasound velocity is detected by software automatically.The system can evaluate the arrival time of ultrasound correctly，according to the noise level of the pre-trigger acquisition data.The system amplifies the ultrasonic signals using the amplifier，which is supplied by phantom power，while it can achieve the remote transmission of signals and input impedance matching.Besides，the system can change and expand the function easily，which is based on FPGA control mode； it can transmit the control command and acquisition data bidirectional by USB2.0 interface.The using scope of ultrasound inspecting system can be widened by its input overvoltage protection，adjustable sampling rate，adjustable sample totallength and adjustable sample pre-length.The experimental results show that the ultrasound inspecting system can improve the accuracy of the automatic estimation of ultrasound arrival time，and it has highly practical value.

Ultrasound； pre-trigger acquisition；preamplifier；phantom power； USB2.0 interface

TN79+1

A

1674－6236（2017）16-0060-05

2016-07-02稿件编号：201607010

中国地震局地质研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（IGCEA1612）

齐文博（1985—），男，河南新野人，硕士，工程师。研究方向：电子技术开发与应用和构造变形与物理场实验研究。