基于FPGA的便携式超声波探伤仪设计

　　0　引　　言

　　超声波检测是无损检测的方法之一,其运用超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响,通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料形状和结构变化,运用这种方法来检测的仪器就称之为超声波探伤仪。目前,在便携式超声波探伤仪的设计中大多以DSP+CPLD或DSP+FPGA的架构为核心,电路设计复杂,系统调试困难,设计成本高。随着FPGA芯片生产技术的发展,使得基于FPGA的嵌入式系统设计成为可编程片上系统(SOPC)研究的热点。FPGA可以把整个数字系统集成在一个芯片上,具有体积小、功耗低、可靠性高、可重复利用等优点,而对于比较复杂的系统,通常把一个微处理器内核嵌入到FPGA中,采用软硬件协同技术,使得对设备的控制更加灵活,调试也更为方便。

　　片上系统的核心是CPU,MicroBlaze软核处理器就是Xilinx公司为其FPGA芯片专门优化后的一种精简指令集处理器(RISC),使用者可以将其作为一个模块加入到自己的设计中。MicroBlaze处理器是可以配置的,其支持的指令和数据总线宽度是32位,它通过存储器扩展接口,可以访问片内和片外的存储器,以支持程序的运行[1]。因此其非常适合设计针对网络、电信、数据处理等应用背景的嵌入式系统。

　　1　基本原理

　　超声波检测方法分为脉冲反射法、脉冲透射法、共振法等几种,但在实际的探伤过程中,脉冲反射法应用的最为广泛。一般在均匀的材料中,缺陷的存在将造成材料的不连续,这种不连续往往又造成声阻抗的不一致,由反射定理可知,超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射,反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的[2]。

　　如图1所示,探头放置在探测面上,电脉冲激励的超声脉冲进入工件,当工件中无缺陷时,接收波形如图1(a)所示,屏上只有始波T和底波B;当有小于声束截面的缺陷时,有缺陷波F出现。F波在时基轴上的位置取决于缺陷声程Lf,由此可确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度,取决于缺陷的反射面积和方向角的大小,借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射,从而使底波高度下降,如图1(b)图所示,当有大于声束截面的大缺陷时,全部声能将被缺陷反射,届时将仅有始波和大的缺陷波出现在屏上。如果探伤仪的时基线性很好,就可以利用始波、缺陷波、底波之间的距离关系,对缺陷进行精确定位。

　　2　总体设计

　　超声波探伤仪的硬件电路包括超声波发射/接收和模拟信号调理电路、模拟信号转换电路、数据处理电路和输入输出电路[3-4]。基于FPGA的便携式超声波探伤仪的系统结构框图如图2所示。硬件电路的核心是FPGA,图2中采用的是Xilinx公司生产的Spartan3E系类的FPGA(XC3S500E),通过使用Xilinx提供的嵌入式软核MicroBlaze以及各种功能的IP核,来完成接收数据的处理和时序的控制以及完成通信、显示、存储的功能。通过这种设计,尽可能的简化了外围电路,减少了外界的干扰,使得系统的测量数据更为精确,提高了系统的稳定性和可靠性。