超聲無損檢測技術(shù)是根據(jù)資料缺陷所顯示的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來探測其缺陷的方法。利用該技術(shù)可以丈量各種金屬、非金屬、復(fù)合資料等介質(zhì)內(nèi)的裂縫、氣孔、夾雜等缺陷信息。由于超聲波檢測具有穿透力強(qiáng)，檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、冶金造船、石油化工、鐵路等領(lǐng)域起著廣泛的作用。一般采用超聲無損檢測技術(shù)的超聲探傷儀有模擬式和數(shù)字式之分，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處置技術(shù)的發(fā)展，保守的模擬式超聲探傷儀正逐漸被功能先進(jìn)的數(shù)字式超聲探傷儀所取代。

超聲波的回波信號(hào)是高頻信號(hào)，其中心頻率最高達(dá)到20MHz以上，常用的超聲波探頭中回波信號(hào)的頻率一般為2．510MHz要使這樣的高頻信號(hào)數(shù)字化，系統(tǒng)就對(duì)模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路提出了很高的要求。根據(jù)Shannon采樣定理和Nyquist采樣準(zhǔn)則，理想的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，采樣頻率至少是輸入信號(hào)最高頻率的兩倍。實(shí)際使用中，為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，應(yīng)增加在每個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)的采樣次數(shù)，一般每周期采樣7lO次。有些系統(tǒng)對(duì)采樣信號(hào)頻率的要求更高。現(xiàn)有的模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案在可靠性、功耗、采樣速度和精度上都存在諸多不足，不能滿足某些實(shí)際情況的需要，而大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)高速、高精度、高可靠性、低功耗的超聲信號(hào)采集方案提供了可能性。本文設(shè)計(jì)了一種采樣速率達(dá)100MHz超聲波采集模塊，并通過FPGA 對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。

1數(shù)字式超聲探傷儀原理

數(shù)字式超聲探傷儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

數(shù)字化超聲探傷儀一般包括超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、信號(hào)調(diào)理單元(包括放大、檢波、濾波等模擬信號(hào)處置環(huán)節(jié))模數(shù)(AD轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)緩沖單元、數(shù)據(jù)處置單元、波形顯示單元以及系統(tǒng)控制與輸入／輸出單元(包括通信、鍵盤操作、報(bào)警等)本文主要討論數(shù)字式超聲探傷儀中高速采集的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法，涉及到AD轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)緩沖單元。

2高速度、高精度采樣硬件結(jié)構(gòu)

2．1數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)框圖

圖2給出本文數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖，由高速AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、FPGA 時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及電源電路組成。其中，AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換；FPGA 負(fù)責(zé)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖。下面對(duì)AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及FPGA 進(jìn)行介紹。

2．2AD9446簡介

AD9446一種16bADC具有高達(dá)100MSPS采樣率，同時(shí)集成有高性能采樣堅(jiān)持器和參考電壓源。同大多數(shù)高速大動(dòng)態(tài)范圍的ADC芯片一樣，AD9446也是差分輸入，這種輸入方式能夠很好地抑制偶次諧波和共模信號(hào)的干擾。AD9446可以工作在CMOS模式和低電壓差分信號(hào)(LVD-S模式，通過輸出邏輯控制引腳進(jìn)行模式設(shè)置。另外，AD9446數(shù)字輸出也是可選擇的可以為直接二進(jìn)制源碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼方式。實(shí)際電路的PCB設(shè)計(jì)中，由于AD9446對(duì)噪聲敏感的模擬器件，所以在具體PCB設(shè)計(jì)時(shí)需做到以下幾個(gè)方面：AD模擬電源單獨(dú)供電，模擬地與數(shù)字地單點(diǎn)接地，差分輸入線等長，采用精確的參考電壓源等。

2．3采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖的FPGA 實(shí)現(xiàn)

FPGA 主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊的數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖等功能。文中FPGA 采用Xilinx公司的Spartan3E系列(XC3S500E這款FPGA 芯片功能強(qiáng)大，IO資源豐富，能夠滿足很多實(shí)際場所的需要。下面對(duì)其中數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖FIFO設(shè)計(jì)做出介紹。

2．3．1數(shù)據(jù)采集控制

AD9446芯片的控制時(shí)序與傳統(tǒng)的低速AD有所不同，完全依靠時(shí)鐘來控制其采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出。AD9446通常在CLK第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿開始采樣轉(zhuǎn)換，并在經(jīng)過延遲tpd后，開始輸出數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)則在第13個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)才出現(xiàn)在D15D0端口上。圖3AD9446工作在CMOS模式下的時(shí)序圖。

數(shù)字時(shí)鐘管理單元(DCMFPGA 內(nèi)部管理、掌控時(shí)鐘的專用模塊，能完成分頻、倍頻、去抖動(dòng)和相移等功能。通過FPGA DCM可以很方便地對(duì)AD9446時(shí)鐘輸入信號(hào)進(jìn)行掌控。實(shí)際電路中需要注意的要做到DCM倍頻輸出的時(shí)鐘信號(hào)與AD9446時(shí)鐘輸入信號(hào)堅(jiān)持電平匹配。

下面給出調(diào)用DCM后時(shí)鐘輸出的VHDL語言描述：

2．3．2數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮處置是對(duì)射頻信號(hào)高速采樣后進(jìn)行前置處理的重要環(huán)節(jié)之一，需要在堅(jiān)持超聲回波信號(hào)基本特征前提下對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線壓縮，而且要求壓縮后的數(shù)據(jù)與原始采樣信號(hào)的包絡(luò)相吻合。為此，每次壓縮過程中，只取采樣所得的最大值，而舍棄其他采樣值。FPGA 將計(jì)算所得采樣數(shù)據(jù)的壓縮比、探頭前沿延時(shí)計(jì)數(shù)值等數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的鎖存器，然后發(fā)出時(shí)序復(fù)位命令并發(fā)射，啟動(dòng)探頭延時(shí)計(jì)數(shù)，延時(shí)到后啟動(dòng)AD采樣，同時(shí)壓縮比計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，時(shí)鐘信號(hào)的控制下，每采樣一次，壓縮比計(jì)數(shù)器減1并將當(dāng)前采樣值與前次采樣值比較，如大于則保存，否則舍棄，直至壓縮比計(jì)數(shù)到零后，得到一個(gè)有效的采樣數(shù)據(jù)。同時(shí)壓縮比計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)位，重新開始計(jì)數(shù)，其工作流程如圖4所示。

2．3．3數(shù)據(jù)緩沖

為了解決前端數(shù)據(jù)采集與后端數(shù)據(jù)傳輸在速率上的不匹配問題，F(xiàn)PGA 內(nèi)部設(shè)置一塊數(shù)據(jù)緩沖FIFO大小為8K16b壓縮后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到FIFO中，而微處理器對(duì)FIFO中數(shù)據(jù)的讀取通過中斷方式完成。數(shù)據(jù)緩沖FIFO通過coregener例化，只需要少量的讀／寫控制邏輯就可以使FIFO正常工作，而且FIFO大小可以在FPGA 提供的RA M位數(shù)范圍內(nèi)靈活設(shè)置。下面給出例化后的FIFOVHDL語言描述：

保管在FIFO中的數(shù)據(jù)通過這些邏輯控制端口便于微處理器對(duì)其進(jìn)行讀取、清零等操作。

3結(jié)語

設(shè)計(jì)的基于AD9446數(shù)據(jù)采集模塊采用FPGA 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖等功能，簡化了硬件電路，提高了模塊的可靠性和穩(wěn)定性，并有利于模塊的功能升級(jí)。同時(shí)采用高速高精度模／數(shù)轉(zhuǎn)換器滿足了數(shù)字式超聲波探傷系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集精度方面的要求。另外，F(xiàn)P-GA 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的預(yù)處理，方便了微處理器對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用和后處理。