摘 要： 介紹了一種四通道" title="四通道">四通道超聲探傷卡的硬件設計。該板卡采用FPGA作為超聲信號數據采集的核心部件，采用高速單片機實現數字濾波卡內的控制，采集的數據通過USB接口向上位PC機傳送，使得檢測速度大大提高。該板卡可用于靈活組建各種多通道超聲探傷設備。
關鍵詞： 無損檢測 數據采集 USB FPGA
1 四通道超聲探傷卡的總體結構
四通道超聲探傷卡的總體結構框圖如圖1所示。從框圖中可以看出，其主要由超聲發射電路" title="發射電路">發射電路、通道選擇、放大濾波、數據采集壓縮、卡內微處理器、USB接口等部分組成。
四通道采用分時工作方式。四個通道分時進行超聲發射，回波信號經過通道選擇開關后進行信號放大與帶通" title="帶通">帶通濾波，然后在FPGA的控制下進行A/D轉換，采集的數據在FPGA內實時壓縮后存入FPGA內部的雙端口RAM中，然后由卡上的微處理器讀取數據，再次進行數字濾波后通過USB接口向上位PC機傳送。
2 超聲波發射電路
四通道超聲探傷卡所具有的四組發射電路是完全相同的，采用分時工作方式。通常情況下，此四路發射電路被設置為重復工作方式，其重復頻率以及探頭的激活順序由用戶根據鋼板的厚度等具體情況在微型計算機的主界面參數設置項中設定，初始化時再傳入超聲探傷卡的控制系統中。發射電路的激活是由FPGA來完成的，當FPGA輸出的窄脈沖加在某一發射電路上時，該發射電路便開始工作。超聲發射電路主要用于產生高壓窄脈沖信號(400V)，此高壓窄脈沖信號加載在超聲探頭的壓電晶片上，將電能轉換為聲能(機械能)而產生超聲波信號。單個通道的超聲波信號發射電路如圖2所示。ICL7667是二通道的單功率場效應管驅動器，可將微弱的TTL輸入信號轉換為高電壓/強電流輸出，轉換速度高。該電路的工作原理為：在沒有發射脈沖時，高壓電源通過R4、R2對C2充電，使其兩端的電壓差達到+400V。發射脈沖到達后，場效應管Q1導通，C2通過Q1放電。由于電容兩端的電壓不能突變，使得D2的輸出端電位在瞬間約為-400V，這個負脈沖作用于超聲探頭，使其產生壓電變換，發射超聲波。
3 回波通道選擇
由于在同一時刻只能選用一路(也只有一路)回波信號，因而選用了MAX4141芯片來完成回波信號的選擇。MAX4141是由MAXIM公司生產的一款寬頻帶(330MHz,700V/μs)、帶緩沖放大器的四選一多路分配器芯片，它不但具有非常快的開關切換速率,而且具有高輸入、低輸出阻抗的特點，從而使回波信號可以充分地加載到下一級的可編程增益放大器上。回波信號選通電路如圖3所示。Siganl In0~Siganl In3分別對應四路探頭的回波信號，Signal Out 為經過緩沖驅動及阻抗變換后的回波信號。單片機P0口給出的兩個信號線用于MAX4141的通道選擇。其具體工作情況如表1所示。
4 高頻放大電路
回波信號通常比較微弱，故采用高頻放大電路" title="放大電路">放大電路來對回波信號進行放大。由于測試的對象(鋼板厚度)不同，所以回波信號的強弱也不定，因此在設計高頻放大電路時，將其設計成可以動態控制增益值的程控放大電路，通過MCU對其增益進行動態控制。在增益放大電路的設計中，選用了可變增益、低噪聲運算放大器AD603，其可實現dB形式的線性增益，每伏電壓可有40dB的增益值。增益范圍可通過對其引腳的不同連接實現兩種方式的選擇，即-11dB～+31dB(帶寬90MHz)和0dB～+40dB(帶寬30MHz)。在設計中，采用兩塊AD603芯片通過二級級聯來構成程控增益放大電路，第一級設置成-10dB～+30dB的增益范圍，第二級設置成0dB～+40dB的增益范圍。二級之間采用交流耦合方式，以避免前級直流電壓的漂移經后級放大后淹沒了有用的回波信號。增益控制電壓(Gain Control Voltage)由D/A轉換器的輸出來控制。本設計中電路連接如圖4所示，電路的增益范圍為-10dB～+70dB，對于中厚鋼板探傷，完全可滿足設計要求。圖中VREF為D/A轉換器的內部參考電壓放大兩倍后的輸出，其值為2.4V，由于AD603的電壓增益控制端對微小的電壓變化很敏感，所以在電路的設計中每一級都加上了濾波電容，以克服干擾信號對電壓增益的影響。
5 帶通濾波電路
帶通濾波電路" title="濾波電路">濾波電路是用來對回波信號放大過程中引入的噪聲進行濾除。由于本超聲探傷卡具有四個通道，每個通道所用超聲探頭不一定相同，同時同一通道也可更換不同的超聲探頭，所以只用一種濾波電路的濾波效果不會很好；又由于超聲探頭的發射頻率范圍較寬，一般在400kHz～10MHz之間，故在本研究中，設計了兩組帶通濾波電路，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz，可由單片機通過驅動繼電器來選通，具體電路如圖5所示。
6 FPGA功能設計
FPGA是本檢測系統中用作數字信號處理的核心部件，借助其用戶可編程特性及其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，使得整個檢測系統的檢測速度大大提高。FPGA在本系統中具有非常重要的地位，一些數據信號處理都是通過它來完成的，其內部功能框圖如圖6所示。從圖中可以看出，FPGA主要由窄脈沖產生采樣延時模塊、參數寄存器模塊、數據采集壓縮模塊、雙端口RAM模塊以及缺陷自動判斷模塊組成。其具體工作原理見參考文獻[3]。
7 微處理器與USB接口
整個板卡的工作由微處理器(MCU)進行控制。本設計中上位PC機將控制參數傳遞給MCU，包括延時參數、增益值、判傷DAC曲線、濾波器選擇等，然后由MCU將這些參數分別傳遞給FPGA、增益控制器(D/A轉換器)以實現板卡控制。此外，MCU還將對FPGA采集的數據進行數字濾波，以改善信噪比。
MCU與上位PC機之間的數據傳送是通過USB接口實現的，設計中采用了PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，其性價比高，工作穩定可靠，超聲回波信號最終傳入上位PC機進行顯示及缺陷分析。
本文介紹了一種用于超聲無損檢測的四通道超聲探傷卡的硬件設計方法，開發了用于回波信號處理及缺陷自動判斷的FPGA芯片，大大地提高了檢測速度。該板卡可靈活地用于構建各種多通道超聲探傷設備。
參考文獻
1 Xilinx.The Programmable Logic Data Book. 1999, 2000
2 Carter. J W. Digital Designing with Programmable Logic Devices.NJ:Prentice Hall,1997
3 Li X, Dong JW, Yu XY et al. Measuring System of the Level of Oilcan Based on Balance Principle. 2nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology,2002.8， Jinan，China