FPGA在便携式超声探伤仪中的应用

摘 要本文主要介绍了超声探伤仪基本原理和基于FPGA的数据处理系统，包括时序的产生、数据的压缩、报警状态的产生等，说明了利用FPGA进行数据处理，具备速度快、实时性强，且集成度高、修改简单、调试方便等特点。

关键词超声波探伤仪；FPGA；AD采集；数据压缩处理

中图分类号TH878.2文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)062-0174-02

0引言

超声是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术，与其他无损检测技术相比，它具有被检测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高；成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场使用等特点。超声波探伤仪是进行超声波探伤的关键设备。

由于野外检测工程的增多，仪器的便携性是考虑的首要条件。随着半导体技术和集成电路的发展，国内的超声仪器现大多是全数字式仪器，采用液晶屏显示和大规模逻辑器件（如FPGA）及集成电路，使仪器在体积和重量上都大大减小，便携性、操作性更强了。本文主要介绍全数字式超声波探伤仪的基本工作原理和探伤仪中的采用FPGA器件进行数据处理方法。

1数字超声探伤仪基本原理

数字式超声探伤仪的基本电路工作原理如图1。

图1数字化超声波探伤仪电路工作原理

仪器主要工作流程：CPU以一定的频率（重复频率）不断向数据处理电路传送方波脉冲信号，每一个脉冲信号将触动一次检测过程。脉冲信号的上升沿使窄脉冲发生电路开始工作，产生窄脉冲激励信号。激励信号产生以后，根据需要显示的时间段（即延时控制），控制采样的开始。数据处理电路首先根据MCU的设定的工件厚度（范围）产生相应的压缩时序进行数据压缩。与此同时闸门单元，报警单元对采集的数据根据条件来进行判断是否报警，产生声光报警，并结束这一次的检测过程，并将采集来的波形数据交由处理器进行处理，显示在液晶显示屏上，等待下一个由处理器传来的脉冲触发信号，从而开始新一轮的检测过程。

2超声信号数据采集

接收回来的信号经过接收电路放大后，由A/D采集芯片将模拟信号转换成数字量，采集的频率越高，信号的还原度就越高。信号采集的数据量与屏幕上显示的探测范围有关，采集的数据量为：n=2*S*fs／V，其中，S为探测范围，fs为采集频率，V为超声波在被测工件中的传播速度。从公式可以看出，采集的数据量与探测范围和A/D采集频率成正比，与声速成反比。超声波探伤采用的频率一般为1.0-15MHz，为了保证波形不失真，采样频率必须是探头频率的3倍以上，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。而超声的探测范围可达几米甚至几十米，所以当探测范围大时，采样的数据量是非常可观的，而显示屏幕的点数又有限，为了把不同范围的超声波形显示在屏幕上，就需要进行数据压缩处理。数据压缩比R可以根据检测范围（S）、显示点数（N）、声速（V）、采样频率（fs）来计算：

R=（2*（S/V） *fs）/N

很显然，显示点数（N）和压缩比在同样的范围内是成反比关系，即显示点数越多，数据压缩比就小，波形失真度就越小。

3基于FPGA的数据处理系统

很显然，如果采集完的数据直接由软件进行处理的话，需要较大的存储器来存储采集的数据，并需要很快的处理器和较长的处理时间来处理数据，这样做会影响仪器探伤的实时性，即有可能造成漏检或信号不能即时显示在液晶屏上。如果采用大规模逻辑器件FPGA来进行这方面的数据处理，就可提高仪器探伤的实时性。数据处理电路包括时序产生、闸门报警控制、采集数据的存储、数据压缩处理电路，集成到一片可编程逻辑器件即FPGA中，即减少了电路、节省PCB，又方便修改、编辑，使设计的灵活性大大提高。在本应用中我们采用的是Xilinx公司的SpartenII系列器件，软件采用了Xilinx公司ISE软件设计而成。

在FPGA数据处理系统中，数据压缩提取波形特性为：幅值。对于检波信号，在压缩比n点内选取幅度最大一点作为压缩结果；对于射频信号，波形是分正、负方向的，在压缩时要在压缩比n点内选取正方向和负方向的幅度最大一点作为压缩结果。图2为在FPGA中数据压缩的工作原理流程框图。

图2数据压缩的工作原理流程

图3为基于FPGA的采样控制与数据压缩电路原理框图。

采集到的波形信号数据，通过闸门参数（门限、闸门宽度、报警方式（进、失波报警））的选择，计算出闸门内最高回波的声程、幅度、深度、水平等参数，并产生声、光报警。

图3采样控制与数据压缩电路原理

采集结束后，软件将压缩后的数据读出并显示在屏幕上。下图4为通过FPGA数据处理系统处理后的数据显示在液晶屏幕上的射频波形和检波波形。

4结束语

采用FPGA进行数据采集压缩，可以大大节省软件的处理时间，让软件有更多的时间处理其他事情，但是压缩的数据丢失了波形的细节、相位，如果需要进行频谱分析、详细后期分析需要波形细节和相位时，采集的数据不能压缩，必须将采集的每个数据都保存起来，因为FPGA器件本身包含的存储空间不够，就必须增加外部存储器将数据保存起来。对于追求便携式、小、轻的超声探伤仪来说，通过对缺陷波形的判定基本能满足日常探伤要求，通常仪器里都没有增加外部存储器。

参考文献

[1]中国机械工程学会无损检测学会.超声波检测Ⅱ[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]Xilinx ISE design Suite 10.X FPGA 开发指南－逻辑设计篇[M].北京:人民邮电出版社,2008.

作者简介

郑树君（1969—），女，学历：本科，广东汕头人，电子工程师，研究领域：超声探伤设备研发。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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