基于SOPC技术的超声检测分析系统

　　1 引言

　　超声检测作为一项重要的无损检测技术已广泛应用于混凝土、基桩完整性、管道泄漏、高空架桥、高速公路等基础建设的检测中[1~3]。80年代后期出现了以Z80单板机为核心处理单元的数字式非金属超声检测分析仪(以CTS-45为代表)。这类仪器具有数字采集功能,不同程度地实现了声参量自动判读和存储,有一定的数据分析处理功能,但无法实时动态显示波形和声参量快速、准确的检测。90年代中后期出现了以PC总线计算机或工控机为核心处理单元的智能型非金属超声检测分析仪(以NM-3/A/B/C型为代表)。这类仪器具有高速数字采集、声参量自动测量和存储、数据分析和处理等功能,自动化程度较高,但体积大,重量重,价格高。

　　本文研究了采用NiosII嵌入式软核处理器构建可编程片上系统SOPC(System on a Programmable Chip,简称SOPC)[4],配合超声波发射电路、程控滤波电路、高精度数据采集电路、TFT液晶显示模块、触摸控制电路和外围存储器电路等设计而成的超声检测分析系统。

　　2 硬件电路设计

　　2.1 NiosII嵌入式软核处理器简介[5]

　　NiosII嵌入式处理器是Altera公司2004年推出的第二代用于可编程逻辑器件的可配置软核处理器,性能超过200DMIPS。它是基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核,具有32位指令集、32位数据通道、可配置的指令以及数据缓冲。它特别为可编程逻辑进行了优化设计,也为可编程片上系统( SOPC)设计了一套综合解决方案。

　　NiosII处理器系列包括三种内核:一是高性能的内核(NiosII/f);二是低成本内核(NiosII/e) ;三是性能/成本折衷的标准内核(NiosII/s),它是前两种的平衡。本系统采用高性能内核。

　　在SOPC Builder中加载NiosII核和相应的存储器、外围接口以及定义相应的自定义指令,并利用Avalon总线将这些系统连接在一起。然后,对设计进行综合、编译、下载POF文件到FPGA中就可以方便地设计一个具有特定功能的嵌入式处理器。图1是一个典型NiosII嵌入式软核处理器的开发流程。

　　2.2 总体设计

　　本系统以SOPC系统(以FPGA为物理载体)为核心,总体框图如图2所示。本仪器主要由高压脉冲发射与控制系统、程控放大系统、高速数据采集系统、SOPC系统、触摸屏以及液晶显示系统、通信接口等组成。

　　(2)程控放大系统:采用宽带、低噪声的放大器件和低阻抗、低噪声的继电器,并配合使用精确的衰减网络和滤波网络,构成宽增益、宽频带、低噪声的程控放大系统。

　　(3)高速数据采集系统:利用双通道、分辨率为12位、采样速率为20MSPS、3.3V供电电压的高速AD组成高精度、低功耗的数据采集系统。