基于SOPC的管道超声导波检测系统设计

　　0 引言

　　在对管路、管道进行长距离检测，包括对埋地管道不开挖状态下的长距离检测当中，超声导波检测技术与传统无损检测技术相比，具有高效、便捷、快速和敏感度高等特点，已成为最具发展潜力的在线无损检测技术之一[1]。

　　目前，国内对超声导波的理论研究正趋于成熟，但对超声导波检测系统的研发仍大都处于实验室阶段。北京工业大学测控技术与仪器实验室建立了一套管道导波检测系统，系统由多个分立设备组成( 如任意函数发生器、示波器等) ，不同设备之间搭接复杂[2]。何存富等研制了基于 LabVIEW 的小型化导波专用检测装置，王军阵等[3]设计了基于 ARM + LINUX 的便携式管道超声导波检测系统，为超声导波检测系统的小型化、集成化做出了重要努力。然而二者均采用高速单片机控制模数转换器激励超声导波，激励频率受到单片机频率限制，且增加了外部硬件资源。

　　随着 FPGA 芯片生产技术的快速发展，基于 FPGA 的片上可编程系统( SOPC) 成为研究和应用的热点。它将系统主要硬件逻辑功能在芯片内部通过编程实现，节约了外部 PCB 资源;可以将完整的电子系统，如嵌入式处理器、系统总线、操作系统等用单片 FPGA 包含，大大提高了系统的灵活性、稳定性，对研发小型化、集成化超声导波检测系统具有很大优势。文中给出了一种基于 FPGA 和 MicroBlaze 软核处理器，通过移植 uC/OSⅡ操作系统和 uC/GUI 图形用户界面，开发管道超声导波检测系统的方法。

　　1 系统整体方案设计

　　系统中 FPGA 选用 Spartan 3E 系列 XC3S500E. 该系列 FP-GA 性价比高，有着丰富的外设接口和 I / O 端口。其内部 Mi-croBlaze 软核处理器时钟频率可高达 150 MHz，能较好地满足产品的高集成化与低成本化[4]。系统选用 MicroBlaze 作为硬件控制核心，PLB 总线提供对片上外设、外部存储器，以及自带的外设 IP 核和自主编写的 IP 核的访问，最后辅以必要的外围电路，完成管道超声导波检测系统的搭建。系统结构框图如图1 所示。主要包括导波发射模块、回波接收模块、A / D 采集模块、TFT 显示模块以及 SD 卡存储模块等。

　　具体工作原理为: 编写的超声导波专用 DDS( Direct DigitalFrequency Synthesis，直接数字频率合成) IP 核产生激励信号的波形幅度值，经数模转换芯片 DAC902 和低通滤波 LPF 后，生成模拟信号，再经过功率放大直接激励压电陶瓷探头，从而在管道中激发出超声导波。超声导波遇到缺陷或端面发生反射，又以回波的形式被压电陶瓷探头接收，将振动信号转化为电信号。此信号经过调理、放大后，由 A/D 采集电路将采集到的数字信号送交 SOPC 系统进行波形显示、缺陷定位、数据存储等处理。