基于FPGA的数字超声轮轴探伤仪硬件设计与实现

　　0 引 言

　　超声检测是一种重要的无损检测方法，由于与其它技术相比具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确等特点，目前已被广泛应用于科学、工程和医学等诸多领域[ 1 ]。超声检测可以用于检测材料表面下的焊缝或连接处的强度及稳定性，可以进行材料厚度的测量，还可以用于材料内部组织和特性的表征及应力的测量[ 2 ]。数字超声探伤仪是数字信号处理技术和超声检测技术的综合产物，近年来随着计算机技术的飞速发展，数字超声探伤仪的性能不断改善，信号采集处理速度得到提高，还增加了数管理、报表打印等功能。但同时也出现了新的要求，比如如何提高超声探伤仪的滤波效果、如何进一步提高信号的采集传输速度和分析处理能力等等[ 3 ]。本文介绍了一种基于F P G A 的数字超声轮轴探伤仪，针对上述问题提供了一种解决方案。在本系统中，我们采用FPGA 芯片处理回波数据，采用USB2.0接口芯片实现高速数据传输，采用PC机进行波形显示等后期处理工作。

　　1 探伤仪硬件总体结构

　　数字超声轮轴探伤仪由上位机软件和下位机硬件两部分组成，其中软件是指PC 机中的上位机处理程序，硬件主要由探伤电路板、高压模块和8 通道探头构成。本探伤仪组装时将探伤电路板和P C 机放在一个机箱中，使探伤仪与计算机融为一体，吸收了计算机液晶显示、超强数据处理、海量存储等优点，并支持USB 通讯和FTP 文件传输，形成了多功能全数字轮轴探伤仪。

　　本系统具有以下特点：

　　(1)强大的数字信号处理功能。硬件电路采用FPGA 实现数字信号处理、前端电路控制、USB 通信等功能，充分体现了FPGA 硬件可描述、可编程的优点。DCM 模块通过改变A/D 芯片的时钟频率，实现了高速数据采集。

　　(2)高速的USB数据传输。USB技术使得上位PC机与下位电路板的数据传输速度更快。

　　(3)双人探伤的实现。升级后的系统采用了双界面的方式，即一台PC 机外接两块探伤电路板，实现双人同时探伤。

　　(4)先进的数据管理功能。PC 机的强大处理能力能够轻松地控制探伤过程、控制报表打印及管理探伤数据。

　　( 5)新颖的波形回放功能。上位机软件的波形存储和回放功能使用户可方便地在线或离线查看探伤波形记录。

　　(6 )网络通信功能。通过网络连接可以与其它终端或与管理主机进行网络通信。

　　数字轮轴探伤仪的硬件结构如图1 所示，探伤电路板由前端模拟电路和后端数字电路两部分组成。前端电路包括高压脉冲发射、通道切换、可变增益放大、模拟滤波放大及A/D、D/A 转换等单元，主要实现超声信号的发射和回波信号的接收，并进行前期的模拟信号处理。后端电路包括FPGA 处理、USB 传输等单元，主要实现探伤回波信号的数字处理，并对前端电路进行控制。整个系统通过前端的发射部分向探头发出触发脉冲产生超声始波信号，并接收探头探测到的回波信号，通过后端的F P G A 核心处理单元进行回波的数字化处理，继而通过USB 芯片实现与上位机的通讯，将探伤数据传至上位P C 机完成波形显示等后期工作，同时还将上位机传送的控制参数传至探伤电路板实现工作方式或参数的改变。