一種基于FPGA的A超數字式探傷系統的研究

超聲波是一種機械波，機械振動與波動是超聲波探傷的物理基礎。超聲波在媒介中傳播，有波的疊加、反射、折射、透射、衍射、散射及吸收衰減等特性，一般遵循幾何光學的原則。A超探傷儀采用幅度調制（Amplitude Modulation）顯示，在顯示屏幕上以橫坐代表被測物的深度，縱坐標代表回放脈沖的幅度。

　　超聲波探傷的方法很多，按其原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。本系統采用脈沖反射法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發射脈沖到被檢測試塊內，根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等，這里只介紹缺陷回波法。圖1是缺陷回波法示意圖。當試件完好時，超聲波可順利傳播到達底面，探傷圖形中只有表面發射脈沖T及底面回波B兩個信號，如圖1（a）所示；若試件中存在缺陷，在探傷圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如圖1（b）所示。

　　整個系統的硬件原理結構如圖2所示，主要包括模擬和數字兩部分，以下分別介紹。

　　1 模擬部分

　　該系統的模擬部分主要由發射電路、限幅機構、高頻放大、帶通濾波、檢波等幾部分組成。

　　發射電路主要用來產生高壓窄脈沖信號（400V），以激勵超聲波探頭發射超聲波。由于不同探頭的諧振頻率不同，所以要求脈沖激勵信號的寬度可調。在發射電路的設計中，由FPGA提供給發射電路低壓可調脈寬的激勵信號，再由發射電路將其轉換為高壓的窄脈沖激勵信號，其脈沖寬度可變。

　　隔幅機構是對某些過大的回波電信號進行電壓幅值的限制，以免電壓過大影響后繼高頻放大器的正常工作，甚至燒毀電路器件。限幅電路的限幅幅值為±3V左右。

　　高頻放大電路用來對回波電信號進行放大，放大范圍可從-10dB到110dB。由于測試對象鋼板的厚度不一，故回波信號的強弱也不定。所以，要把高頻放大電路設計成可以動態控制增益值的程控放大電路，可通過MCU來實現。

　　帶通濾波電路對信號放大過程中引入的噪聲進行控制。由于超聲探頭的發射頻率范圍較寬（400kHz～10MHz），如果使放大器通帶范圍固定為400kHz～10MHz，勢必影響濾波效果。在本文中，設計了可程控的兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz。

　　超聲波探傷系統回波波形的顯示方式通常有兩種：射頻顯示（不檢波顯示）和視頻顯示（檢波顯示），如圖3所示。射頻顯示可以保持波形狀態，有助于缺陷性質的識別；而視頻顯示則有利于峰值采集，以便確定缺陷當量。為了分別滿足這兩種顯示的要求，在設計中加入了檢波與非檢波的切換電路，電路的切換受MCU控制。

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2 數字部分

　　2.1 微控制單元

　　該系統的數字部分以微控制單元（MCU）作為整個超聲檢測系統的控制核心。在此選用了Intel公司的16位單片機MCS196kc，該MCU不但具有16位的數據運算功能，而且提供了強大的控制能力。其實現有的功能主要有：（1）控制顯示模塊和鍵盤接口模塊，實現人機界面的交互；（2）完成檢測結果的存儲、打印；（3）提供與微機之間可靠的數據傳輸；（4）實現對電源模塊的管理；（5）調節模擬部分中運放的放大增益倍數。

　　2.2 基于FPGA的實時數字信號處理單元

　　FPGA在整個檢測系統中是數字信號處理的核心部件，借助其用戶可編程特性及很高的內部時鐘頻率，設計了專用于超聲檢測的數據處理芯片，如圖4所示。該芯片主要由以下幾個功能模塊構成：（1）數據處理所需的參數寄存器堆；（2）窄脈沖發生模塊；（3）采樣延遲控制模塊；（4）數據采集、存儲、壓縮模塊；（5）進波門、DAC缺陷自動判斷模塊；（6）失波門缺陷自動判斷模塊。現結合圖5簡述圖4所示的信號處理過程：MCU以一定的頻率不斷向FPGA傳送方波脈沖信號，每一個脈沖信號將觸動一次檢測過程。脈沖信號的上升沿使窄脈沖發生電路開始工作，產生窄脈沖激勵信號。激勵信號產生以后，由于超波需要一段延時時間才能經過耦合劑到達探測工件，所以在窄脈沖信號產生以后，延時電路將起作用，用以控制采樣開始的時間。經過（t2-t1）的延時，超聲波到達工件表面，采樣開始。處理單元首先根據所檢測到的鋼板厚度選擇相應的數據處理模塊。如果鋼板為溥型板材，數據采集、存儲模塊將工作；如果鋼板為中厚板材，數據采集、壓縮、存儲模塊將運行。采樣過程結束后，在（t4-t3）的時間段內，處理單元自動對該次采樣中的回波信號進行缺陷判斷。如果發現有缺陷或失波存在，探傷系統會給出報警信號，通知MCU，并結束這一次的檢測過程，等待下一個由MCU傳來的脈沖信號，從而開始新一輪的檢測過程。

　　3 超聲探傷系統的軟件

　　在整個數字式超聲探傷系統中，軟件的設計占有重要的地位。為此采用了匯編語言和VB高級語言分別對MCU和PC機進行編程。整個軟件系統包括工作主界面和參數設置界面。其中，工作界面主要包括：增益/補償、聲程/標度設計抑制/聲速、閘門設計DAC曲線擬合、回波波形顯示缺陷記錄、缺陷回放、缺陷報告打印、與PC機間的數據通訊。參數設置界面主要包括：探頭設置、儀器設計、頻道設置、密碼設置和時鐘校準。

　　當超聲探頭的發射頻率在10MHz以上時，以現有的采樣速率（40MHz）進行采樣就很有可能造成回波信號波峰值的丟失。在現有的設計方案中，制約速度的瓶頸主要集中在將采樣得到的回波信號值轉存到外部的RAM中上，受RAM速度制約，整個系統的工作頻率難以進一步提高。