基于FPGA的八通道超聲探傷系統設計

摘要：文中提出了一種基于FPGA的八通道超聲探傷系統設計方案。該系統利用低功耗可變增益運放和八通道ADC構成高集成度的前端放大和數據采集模塊；采用FPGA和ARM作為數字信號處理的核心和人機交互的通道。為了滿足探傷系統實時、高速的要求，我們采用了硬件報警，缺陷回波峰值包絡存儲等關鍵技術。此外，該系統在小型化和數字化方面有顯著提高，為便攜式多通道超聲檢測系統設計奠定基礎。
關鍵詞：八通道；超聲探傷；硬件報警；FPGA

超聲波探傷是一種重要的無損檢測方法，在大型鍋爐、發電機組、鐵路橋梁和航空航天等各個工業部門都得到了廣泛的應用，并成為保證工程質量、確保設備安全的一種重要手段。
目前國內研制的超聲探傷儀器大部分為便攜式單通道。這些儀器重量輕，使用方便，便于探傷人員攜帶使用。但單通道儀器同時具有掃查面積小，速度慢，誤判率高等缺陷，不利于掃描大型器件。而少數多通道儀器則都是基于PC機所研制的。這些儀器能夠快速掃描各種器件，但是同時具有體積大，價格高等缺點，不利于多通道探傷儀的應用和普及。
針對上述提到的一些問題，結合現代數字信號處理技術和微電子技術，提出了一種基于嵌入式系統和FPGA的便攜式八通道超聲探傷系統的解決方案。該方案采用ARM9處理器作為主控芯片，利用大容量的FPGA進行并行處理，能夠同時滿足便攜性和實時性兩大要求。并能通過以太網接口，將數據快速傳輸到PC機上，對信號進行進一步的處理。

1 八通道超聲探傷系統硬件設計
本系統的硬件總體框圖如圖1所示。系統主要包含前端發射接收電路、八通道模數轉換電路，FPGA數據處理與邏輯控制系統和ARM后處理模塊4個部分組成。

前端發射接收電路的主要作用為生成用于激發探頭陣元產生超聲波的高壓脈沖，接受回波，以及實現對回波信號進行數控增益。ADC將采樣的模擬信號轉化成數字信號。FPGA模塊主要實現對數據的FIR濾波，非均勻壓縮，硬件報警，峰值包絡的存儲，以及相關的控制邏輯。ARM后處理模塊主要實現波形顯示、通道切換、頻譜分析、參數預置、人機交互等功能和一些相關外設的驅動。
1．1 前端發射接收電路
前端發射接收電路是實現八通道超聲設備主要性能指標的關鍵。一般由探頭觸發電路，隔離網絡，帶通濾波器，可變增益放大器(VGA)4部分級聯而成。
可變增益放大器部分由三級可變增益AD8331級聯而成。AD8331是一款單通道、超低噪聲、線性dB可變增益放大器(VGA)，針對超聲系統應用進行了優化，可以用作低噪聲可變增益元件。這款器件內置一個超低噪聲前置放大器(LNA)、一個48 dB增益范圍的VGA以及一個具有可調輸出限制功能的可選增益后置放大器。經過三級級聯和調試以后能夠實現0～120 dB的增益動態范圍。
1．2 八通道數模轉換電路
本系統采用AD9212作為八通道模數轉換器。AD9212是ADI公司推出的一款八通道，10位采樣精度模數轉換器。該器件內置采樣保持電路，低成本，低功耗，小尺寸，單片集成八個通道的AD電路，能夠極大的減少電路設計的工作量和所需的電路板的面積。與此同時，AD9212采用串行LVDS數據輸出和DDR操作，既具有較高的數據輸出速率，又能減少所需的接口IO資源。
1．3 數據處理與邏輯控制模塊
在本系統中，數據處理與邏輯控制子系統承擔著實時處理八通道數據，配置八個通道的參數，以及操作總線與ARM進行通信的任務。FP GA具有豐富的可編程資源，集成度高，實現靈活，能夠很好的滿足設計要求。

數據處理與邏輯控制子系統的結構框圖如圖2所示，該子系統主要分成數據處理部分和邏輯控制部分。數據處理模塊實時處理數模轉換器傳輸來的數據流，邏輯控制模塊負責控制外設以及FPGA內部各個模塊的時序。數據處理模塊包括DDR2串并轉換，將AD轉換器傳輸的DDR數據串行轉換成并行數據。并行數據經過FIR濾波器，去除了模擬前端引入的噪聲，最后通過檢波和非均勻壓縮以后得到包絡數據。邏輯控制模塊主要實現發射的正負延時控制，增益的控制以及該子系統的狀態監測和控制。