基于PCI总线的六通道高速并行超声信号采集卡的研制

　　现代超声无损探伤系统中,关键的一个部分就是将超声波信号采集进计算机中进行处理,但在很多情况下,数据采集要求多通道和高速度,市售的数据采 集卡不能满足系统要求。笔者受工业部门委托研制的变截面薄壁筒全自动超声探伤系统中,专门研制了基于PCI总线的六通道高速并行超声信号采集卡,通过实时 采集、分时传送的方法,成功地实现了六通道信号的并行采集,每通道最高采样频率为60 MHz,采样分辨率为八位,采样宽度可调,最多128 kByte。

　　1　电路设计

　　数据采集系统的硬件电路^[1]主要包括模拟信号采集电路、程控放大电路、数字信号处理电路和PCI接口电路等。

　　1.1　总体设计

　　系统电路框图如图1所示。实际工作时,系统受外触发控制开始数据采集,六路模拟信号首先通过增益可控的高速运算放大器实现信号放大,其放大倍数 由CPLD(复杂可编程逻辑器件)控制的D/A(数/模)转换器决定,放大后输入到高速A/D(模/数)转换器进行A/D变换。之后数字信号进入CPLD 进行检波和数据处理后存到SRAM(静态随机存储器)中,一次采集结束后,数据通过CPLD经PCI接口芯片传到计算机上作后续处理和分析。

　　1.2　模拟信号采集电路

　　模拟信号数据采集电路^[2]由前端数据采集、程控放大器件及A/D转换器实现,完成数据采集和模数转换。程控放大器和A/D转换器分别采用AD公司的高速运放AD604和AD9057。

　　AD604是一个低噪声的双通道可变增益放大器,带宽40 MHz。电路中,为达到更大的增益调解范围,将AD604的两个放大通道串联,实际增益可调解范围为82 dB(第二个放大通道的14 dB前置增益没有接入),对应的增益控制电压为0~2.65 V,考虑到所采用的D/A转换器(MAXIM公司的MAX5250)的输出能力(0~2.5 V),实际应用的增益调解范围为-24~+76 dB,这在一般的超声信号采集领域已经足够了。

　　AD9057是AD公司生产的一款低功耗八位模数转换器,功耗200 mW,模拟带宽120 MHz,这里采用的是60MSPS的AD9057-60,模拟信号输入范围为峰峰值1 V。模拟信号输入后进入采样保持电路,经过偏压电路后进入ADC进行A/D变换,输出八位数字量,数据采集由ENCODE信号控制,上升沿触发操作。

　　1.3　数字信号处理电路

　　系统完成一次数据采集时间为16~50 ns(对应采样频率为20~60 MHz),而计算机完成一次读写操作的时间为微秒级,因此如果由计算机实时控制每一次采集过程并传输到总线上,其读写速度远远满足不了要求,会影响整个系 统的采集速率;此外,PCI总线宽度为32位,对于每路八位的数字信号,每次最多只能传送四路,因此,不能直接实时地将A/D转换信号传送到PCI总线 上。实际设计中,六路A/D由同一采样控制信号驱动,各路信号经A/D转换后,先存入高速CMOS静态存储器作为数据缓存,等一次采集结束后再通过PCI 接口芯片分两次传到计算机总线上。所有数据及控制信号直接或间接从CPLD发送或接收。