高速数字信号技术在钢轨超声探伤仪中的应用

　　0　前言

　　现代铁路工业的发展,尤其是近年火车行驶速度的提高,容易使钢轨产生非破坏性的“内伤”[1],所以确保钢轨正常工作成为一项至关重要的工作。与国外不同,由于我国铁路运输　　的繁忙性,不适合利用大型的探伤车进行钢轨的频繁检测。现今国内铁路钢轨检测主要是采用便携式超声波探伤仪。

　　超声波探伤仪是利用超声波对金属或部分非金属的损伤进行探测。其工作原理是通过探头发射超声波,而超声波遇到裂纹或焊缝之后会反射回来一定强度的“回波”,回波信号的幅　　度、传输距离等携带着钢轨内部损伤状态的信息,通过对回波　信号的分析即可了解钢轨损伤情况[2]。旧式的超声波探伤仪对信号不能分析与存储,工作频率低,无法获得高分辨力等等缺　　点[3]。本文所介绍的系统是一种基于高速数字信号处理技术,采用单片机、DSP、CPLD的多层次的体系结构的系统,很好地解决了单处理器在处理与传输等方面的不足,确保准确的对　　钢轨伤损进行检测,并且能完成多种功能。

　　1　系统构成

　　整个系统由三个部分组成:超声波的发射与接收以及模拟信号调理;以DSP+CPLD为核心的数字信号算法处理、报警、数据传输及波形显示;系统管理及人机接口。DSP选用的　　是TI公司的TMS320VC33,是浮点型处理器,可以进行高精度的运算。CPLD选用的是ALTERA公司的MAX 7000S系列中的EPM7128SLC84-10,因为CPLD的灵活性,用户可以根据需要随心所欲的进行数字电路设计[4]。图1是高速数字式探伤仪的原理框图。

　　系统的工作过程为上电后MCU对双口RAM进行初始化, DSP读取双口RAM中的工作允许标志位,得到开始标志后,按照参数循环控制多个超声通道采集数据,将回波信号转化为电信号,经过放大与整形,送入高速A/D芯片。经A/D转化后数字信号送入CPLD, CPLD对数据进行压缩。压缩点的个数由DSP给出,经压缩处理后的数据送入DSP, DSP在采集完一个通道的数据后,进行各种运算和设置显存等处理;在一屏数据产生后,输出到外接显存双口RAM,并告知显示MCU,开始进行刷屏操作;同时DSP检查回波信号是否达到了报警条件,如果是, DSP将发出一个报警信号;定期将处理过的数据存入双口RAM供控制MCU读取,控制MCU再将其转存到FLASH中,供后期进行波形回放,也可以通过USB口,把数据传输到电脑上进行其他的分析。同时可以通过良好的人机交互界面对系统的参数进行设置保证系统工作在较好的状态。

　　2　高速数字信号处理

　　由于超声波的回波信号脉动尖峰一般只有0·6~1·0μs左右,所以数据采集频率至少需要10 M以上[5],在这么大量的数据面前,一般的处理系统是无法实现的。本系统以DSP为　核心组成高速的数据处理单元,按照芯片各自特点,把处理任务进行了细化,实现了每个部分都能工作在最高速度,保证了整个系统能高速的完成处理任务。其中高速主控制MCU与DSP构成一个主从系统, MCU与DSP之间利用双口RAM来进行通讯, MCU通过双口RAM给DSP发送控制参数,同时双口RAM的大部分空间是供DSP存储回波数据。高速显示MCU与DSP构成另一个主从系统, DSP把显示数据高速的传给双口RAM,再由MCU进行刷屏送数。CPLD在系统中除了完成一些逻辑处理外,主要是对回波数据进行压缩处理,压缩点的个数由DSP给出。主要的处理部分由这三部分组成,是充分的考虑了系统的整体构架、采样速度和EL显示驱动器的参数指标等等因素。