一种基于FPGA的A超数字式探伤系统的研究

摘要：简略介绍了超声探伤的基本原理，并在此基础上提出了一种基于FPGA的A型数字式超声系统的构成方式，着重介绍了系统的硬件构成。其中，基于FPGA的数字信号处理模块从根本上解决了传统A型探伤仪的采样速度低、处理速度慢的问题。

关键词：MCS196kc单片机 无损检测 超声波探伤 FPGA 数字信号处理 DAC曲线

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波在媒介中传播，有波的叠加、反射、折射、透射、衍射、散射及吸收衰减等特性，一般遵循几何光学的原则。A超探伤仪采用幅度调制（Amplitude Modulation）显示，在显示屏幕上以横坐代表被测物的深度，纵坐标代表回放脉冲的幅度。

超声波探伤的方法很多，按其原理分类可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。本系统采用脉冲反射法。脉冲反射法是一种利用超声波探头发射脉冲到被检测试块内，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法。脉冲反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等，这里只介绍缺陷回波法。图1是缺陷回波法示意图。当试件完好时，超声波可顺利传播到达底面，探伤图形中只有表面发射脉冲T及底面回波B两个信号，如图1（a）所示；若试件中存在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如图1（b）所示。

 

整个系统的硬件原理结构如图2所示，主要包括模拟和数字两部分，以下分别介绍。

1 模拟部分

该系统的模拟部分主要由发射电路、限幅机构、高频放大、带通滤波、检波等几部分组成。

图2 超声检测系统的硬件构成

发射电路主要用来产生高压窄脉冲信号（400V），以激励超声波探头发射超声波。由于不同探头的谐振频率不同，所以要求脉冲激励信号的宽度可调。在发射电路的设计中，由FPGA提供给发射电路低压可调脉宽的激励信号，再由发射电路将其转换为高压的窄脉冲激励信号，其脉冲宽度可变。

隔幅机构是对某些过大的回波电信号进行电压幅值的限制，以免电压过大影响后继高频放大器的正常工作，甚至烧毁电路器件。限幅电路的限幅幅值为±3V左右。

高频放大电路用来对回波电信号进行放大，放大范围可从-10dB到110dB。由于测试对象钢板的厚度不一，故回波信号的强弱也不定。所以，要把高频放大电路设计成可以动态控制增益值的程控放大电路，可通过MCU来实现。

带通滤波电路对信号放大过程中引入的噪声进行控制。由于超声探头的发射频率范围较宽（400kHz～10MHz），如果使放大器通带范围固定为400kHz～10MHz，势必影响滤波效果。在本文中，设计了可程控的两组带通滤波电路，其带宽范围分别为400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz。

超声波探伤系统回波波形的显示方式通常有两种：射频显示（不检波显示）和视频显示（检波显示），如图3所示。射频显示可以保持波形状态，有助于缺陷性质的识别；而视频显示则有利于峰值采集，以便确定缺陷当量。为了分别满足这两种显示的要求，在设计中加入了检波与非检波的切换电路，电路的切换受MCU控制。

 

2 数字部分

2.1 微控制单元

该系统的数字部分以微控制单元（MCU）作为整个超声检测系统的控制核心。在此选用了Intel公司的16位单片机MCS196kc，该MCU不但具有16位的数据运算功能，而且提供了强大的控制能力。其实现有的功能主要有：（1）控制显示模块和键盘接口模块，实现人机界面的交互；（2）完成检测结果的存储、打印；（3）提供与微机之间可靠的数据传输；（4）实现对电源模块的管理；（5）调节模拟部分中运放的放大增益倍数。

2.2 基于FPGA的实时数字信号处理单元

FPGA在整个检测系统中是数字信号处理的核心部件，借助其用户可编程特性及很高的内部时钟频率，设计了专用于超声检测的数据处理芯片，如图4所示。该芯片主要由以下几个功能模块构成：（1）数据处理所需的参数寄存器堆；（2）窄脉冲发生模块；（3）采样延迟控制模块；（4）数据采集、存储、压缩模块；（5）进波门、DAC缺陷自动判断模块；（6）失波门缺陷自动判断模块。现结合图5简述图4所示的信号处理过程：MCU以一定的频率不断向FPGA传送方波脉冲信号，每一个脉冲信号将触动一次检测过程。脉冲信号的上升沿使窄脉冲发生电路开始工作，产生窄脉冲激励信号。激励信号产生以后，由于超波需要一段延时时间才能经过耦合剂到达探测工件，所以在窄脉冲信号产生以后，延时电路将起作用，用以控制采样开始的时间。经过（t2-t1）的延时，超声波到达工件表面，采样开始。处理单元首先根据所检测到的钢板厚度选择相应的数据处理模块。如果钢板为溥型板材，数据采集、存储模块将工作；如果钢板为中厚板材，数据采集、压缩、存储模块将运行。采样过程结束后，在（t4-t3）的时间段内，处理单元自动对该次采样中的回波信号进行缺陷判断。如果发现有缺陷或失波存在，探伤系统会给出报警信号，通知MCU，并结束这一次的检测过程，等待下一个由MCU传来的脉冲信号，从而开始新一轮的检测过程。

 

3 超声探伤系统的软件

在整个数字式超声探伤系统中，软件的设计占有重要的地位。为此采用了汇编语言和VB高级语言分别对MCU和PC机进行编程。整个软件系统包括工作主界面和参数设置界面。其中，工作界面主要包括：增益/补偿、声程/标度设计抑制/声速、闸门设计DAC曲线拟合、回波波形显示缺陷记录、缺陷回放、缺陷报告打印、与PC机间的数据通讯。参数设置界面主要包括：探头设置、仪器设计、频道设置、密码设置和时钟校准。

当超声探头的发射频率在10MHz以上时，以现有的采样速率（40MHz）进行采样就很有可能造成回波信号波峰值的丢失。在现有的设计方案中，制约速度的瓶颈主要集中在将采样得到的回波信号值转存到外部的RAM中上，受RAM速度制约，整个系统的工作频率难以进一步提高。