基于FPGA的超声信号采集系统

仪器方法

无损探伤

Ｎ　Ｄ　Ｔ

Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．４Ａｕｕｓｔ．２０１０ｇ

摘　要：介绍了一款基于Ｆ现场可编程门阵列）的超声信号高速采集系统。该系统采用ＦＰＧＡ（ＰＧＡ作为控制器，主要完成超声模拟信号的Ａ／数据存储两部分功能。系统采用ＶＨＤ通Ｄ转换控制、Ｌ描述语言，

过软件编程控制硬件，利用Ｆ该方案具有高ＰＧＡ内部自带的ＲＡＭ实现数据的缓存存储。试验结果表明，可靠、集成度高等优点，解决了超声检测过程中高速大容量数据存储和传输问题，可用于多种超声信号的速、

采集和处理。

关键词：超声检测；数据采集；模数转换器；现场可编程门阵列

中图分类号：（）ＴＧ１１５．２８　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１４４２３２０１００４１８０３－－－＂内部定制，ＭａｎａｅｒＲＡＭ的数据宽度和ＡＤＣ的输ｇ

出数据宽度要一致，当ＲＡＭ存储器中完成一个至在地址发生器的地址数个周期的被测信号采样后，

扫描下，将存于ＲＡＭ中的数据通过ＤＡＣ的输出端进入示波器，完成对ＦＰＧＡ工作状态的实时观测和调试，从而可以准确地验证整个传输过程中数据的正确性和时序性是否满足设计需求。试验系统中模使能信号块所需的时钟由全局时钟ＣＬＫ直接提供，由配置的试验箱上的按键Ｋｅ１控制。系统结构框ｙ图如图１所示。

檽殦１　引言

传统的数据采集系统往往采用单片机或数字信号处理器作为控制器、控制模／数转换器、存储器和其他外围电路，但时钟频率较低，各种功能靠软件的运行来实现，效率较低，难以满足数据采集系统实时性和同步性的要求。然而基于ＤＳＰ的数据采集系虽然处理速度快，但成本较高，过于频繁的中断统，

响应速度变差。采用Ｆ会使ＣＰＵ的效率降低，ＰＧＡ为核心设计的采集系统，时钟频率高，内部时延小，简化外围电路、降低设计风险、缩短开发周期，大大提高了系统的性能，将广泛用于高速数据采集系统

１］

中［。本文充分利用Ｆ提出一种ＰＧＡ这方面优势，

２　基于ＦＰＧＡ采集系统的设计

数据采集系统中的控制逻辑单元采用ＡＬ－内部的Ａ／ＴＥＲＡ公司的ＥＰ１Ｃ３Ｔ１４４芯片，Ｄ采样

控制器控制Ａ／将ＤＣ芯片采集超声检测模拟信号，／ＡＤ转换好的８位数据送到ＦＰＧＡ内部定制好的ＲＡＭ存储器中存储。ＡＤＣ芯片采用美国德州仪器（）公司的ＴＴＩＬＣ５５１０，转换速率最高可达到

转换电压量程为０．５０ＭＳＰＳ，６Ｖ～２．６Ｖ。缓存选用单端口Ｒ在＂ＭＡＭ存储器，ｅａＷｉｚａｒｄＰｌｕｎ　　ｇｇ－Ｉ

檽檽檽殦等处理。

基于ＦＰＧＡ的超声信号采集系统

张颜艳　吴　伟

（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌　３）３００６３

基于Ｆ对来自超声ＰＧＡ的高速超声信号采集系统，传感器的高频信号进行放大、／ＡＤ转换和高速缓存

图１　数据采集系统框图

２．１　ＡＤＣ控制模块设计

图２为Ｔ时钟ＬＣ５５１０芯片内部功能图，ＣＬＫ（信号）、输出使能信号）为ＴＯＥ（ＬＣ５５１０芯片控制信号，与ＡＤＣ采样控制器的链接见图２所示。ＡＤＣ采样控制器接收到ＦＰＧＡ系统信号采集使能信号后，启动Ｔ超声模拟信号从ＬＣ５５１０采集原始数据，在转换时钟ＣＡＮＡＬＯＧＩＮ引脚单端输入，ＬＫ控　

制下转换为８位数字信号，当输出使能信号ＯＥ低电平有效时，转换后的数字信号Ｄ１～Ｄ８并行输出。本文接Ｐ通过跳冒来选择２ＩＮ＿１６引脚时，０ＭＨｚ有

第４期张颜艳等：基于ＦＰＧＡ的超声信号采集系统

１９

源晶振，并打开电源开关为Ａ／Ｄ芯片提供电源。

２．２　ＲＡＭ控制模块设计

图２　ＴＬＣ５５１０芯片内部功能图

　　图３为Ｔ

ＬＣ５５１０的采样时序图，ＴＬＣ５５１０是以流水线的工作方式进行工作。当第一个时钟周期下降沿到来时，模拟输入电压将被采样到高比较器块和低比较器块，高比较器块在第二个时钟周期的上升沿的最后确定高位数据；同时，低基准电压产生与高位数据相应的电压。低比较块在第三个时钟周期的上升沿的最后确定低位数据。高位数据和低位数据在第四个时钟周期的上升沿进行组合。这样，采样转换结果的输出却在２．５个ＣＬＫ周期后送到内部数据总线上。此时如果输出使能ＯＥ有效，转换后的８位数据就被存储到ＲＡＭ缓冲器中。

图３　ＴＬＣ５５１０的工作时序

　　根据采样时序，

用状态机来描述采样控制过程。图４所示为ＴＬＣ５５１０采样控制状态图，在状态ｔ０，给Ａ／Ｄ一个采样时钟ＡＤｃｋ的上升沿，同时锁存Ａ／Ｄ的输出；在状态ｓｔ１。给出采样控制模块数据输出锁存信号。Ａ／Ｄ采样控制器的输出共有４个信号：ＡＤｃｋ提供采样时钟；ＡＤｏｅ为ＴＬＣ５５１０的输出使能，一直有效；ｄａｔａ为采样数据输出；ｄｃｌｋ用来同步ｄａｔａ的输出，作为下一级的ｄａｔａ锁存信号。

图４　ＴＬＣ５５１０采样控制状态图

存储器是数据采集系统的重要组成部分，负责将采集后输出的数字信号进行存储，以等待下一步操作。ＱｕａｒｔｕｓⅡ中含有大量功能强大的ＬＰＭ模块，本文选用ＦＰＧＡ片内的ＬＰＭ－ＲＡＭ宏模块来实现这种存储器，输入和输出可以支持不同的时钟或者同一个时钟来完成Ａ／Ｄ转换输出的数字信号的缓存和输出。ＲＡＭ控制模块的连接见图１所示。

在ＱｕａｒｔｕｓⅡ７．２的＂Ｍｅｇａ　Ｗｉｚａｒｄ　Ｐｌｕｇ－Ｉ

ｎＭａｎａｇ

ｅｒ＂设计与定制界面里定制的ＬＰＭ－ＲＡＭ模块，主要是参数的设置，如器件的选择、数据数量等。本文选择Ｃｙｃｌｏｎｅ器件，ＲＡＭ的数据线宽度８，地址线宽度１０，数据数量１０２４，有一个地址锁存时钟和一个写使能控制线。在存储容量和采样速率一定的情况下，定制的ＲＡＭ存储器可检测的工件厚度最大为３０ｃｍ（以钢件作为参考件），满足一般的管材、棒材和板材检测。与外挂的ＳＤＲＡＭ相比，内嵌的ＲＡＭ集成在ＦＰＧＡ内部，在逻辑设计上更简单明了，

更容易控制和分析，便于进行精确的仿真和调试，充分利用ＦＰＧＡ的资源。

３　试验结果

实验采用ＧＷ４８试验箱，

选用电路结构图ＮＯ．５，在ＱｕａｒｔｕｓⅡ７．２开发平台上建立工程，用

ＶＨＤＬ语言编辑数据采集和存储程序，分配管脚，编译成功后通过ＪＴＡＧ下载线下载到试验箱上。使能信号由试验箱上的ＫＥＹ１控制，在ＫＥＹ１高电平时，每一个ＣＬＫ时钟信号的上升沿完成加一计数，指向下一个ＲＡＭ单元，ＡＤＣ５５１０采样进入

ＲＡＭ，并将采样的数据存入这个ＲＡＭ单元，完成高速数据的缓存。低电平禁止写入，允许扫描输出给５６５１，接示波器上显示出来，以观察存入到ｒｏｍ１中的数据信息是否与超声信号相似，评价该采样系统的性能。由于用到的Ｄ／Ａ芯片是超高速、１０位

分辨率的ＴＨＳ５６５１，

所以将其低两位赋０。图５为采样前输入超声信号波形和采样后的超声信号波形图。通过对比采样前后的超声波形可以发现，输入超声信号能看到很多次底波，而采样后的信号只能看到二次底波和正的幅值。这是因为超声

信号里含有很多噪声信号，采样过程中底波信号的

（下转第２２页）

ｓ２２

无　损　探　伤　　第３４卷

比技术条件要求的±０．而且０５ｍｍ的指标还要高，系统的重复性非常好。从表３中可以看出，靶件管长度的实际测量值与解剖测量值的绝对误差在±比技术条件要求的±５３ｍｍ范围之内，ｍｍ的指标

而且系统的重复性也非常好。还要高，

在检测速度５／了稳定可靠的机械装置，ｍｍｓ的情况下，靶件管厚度测量值的绝对误差在±０．０３ｍｍ范围之内，长度测量值的绝对误差在±３ｍｍ范围之内，都比技术条件的要求高，而且研制的检测装置的测量重复性也非常高。

表２　靶件管厚度解剖值与测量值对比

样品号解剖值（ｍｍ）

测量值（ｍｍ）绝对误差（ｍｍ）

７１０２－１　２．１０　

２．０９　

０．０１

７１０２－２　２．０３　２．０２　０．０１７１０２－３　２．０６　２．０４　０．０２７１０２－４　２．０５　２．０５　０．００７１０２－５　２．０８　２．０８　０．００７１０２－６　１．９９　２．０２－０．０３７１０２－７　２．０４　２．０２　０．０２７５０１－１　２．１０　２．０８　０．０２７５０１－２　２．０６　２．０４　０．０２７５０１－３　２．０４　２．０３　０．０１７５０１－４　２．０１　２．０１　０．００７５０１－５　１．９２　１．９３－０．０１７５０１－６　１．９３　１．９５－０．０２７５０１－７　１．９５　１．９６－０．０１７５０２－１　２．０９　２．１０－０．０１７５０２－２　２．０３　２．０３　０．００７５０２－３　２．０６　２．０４　０．０２７５０２－４　２．０５　２．０５　０．００７５０２－５　２．０８　２．０５　０．０３７５０２－６　１．９９　２．０１－０．０２７５０２－７　２．００　２．０２

－０．０２

表３　靶件管长度解剖值与测量值对比

元

件７１０２　７５０１　

７５０２

号解剖

芯体距头

芯体芯体距头芯体

芯体距头

芯体

结

端距离

长度端距离长度端距离长度果１１４ｍｍ８０４ｍｍ１２８ｍｍ

７８１ｍｍ

１１４ｍｍ

８１０ｍｍ

测量测量测量

测量次值误差值误差

值误差测量值误差测量测量

值误差

值

误差数

１　１１１＋３　８０３＋１　１２８　０　７８２－１　１１３＋１　８１０　０２　１１４　０　８０４　０　１３１－３　７８２－１　１１４　０　８１３－３３　１１５－１　８０２＋２　１３０－２　７８４－３　１１２＋２　８１２－２４　１１６－２　８０２＋２　１２８　０　７８１　０　１１２＋２　８１０　０５　１１３＋１　８０５－１　１２９－１　７８４－３　１１５－１　８１１－１６　１１５－１　８０６－２　１２９－１　７８１　０　１１６－２　８１１－１７　１１６＋２　８０４　０　１３０－２　７７９＋２　１１４　０　８

１２－２　结论

实践证明，采用中子射线吸收检测方法检测锂铝合金靶件管的芯体厚度与长度切实可行。在本文

研制的检测装置中，采用了Ａｍ２４１／Ｂｅ中子源，

闪烁晶体采用了对中子敏感的锂玻璃，测量仪器选用了

响应快速的放大器和单道脉冲幅度分析器，并设计

權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權（上接第１９页）电压比较小时会被噪声信号覆盖，而且示波器本身也有很多噪声信号，当输入的超声信号的电压很小时，也会把超声信号覆盖，且由Ａ／Ｄ模块的输入电压范围决定系统只能采集０．６Ｖ～２．６Ｖ之间的超声信号波形。但该数据采集系统实现了超声信号的高速采样和缓存过程，将超声信号转换为数字信号处理，可以提高对缺陷定位、定量的精度。

（ａ

）输入的超声模拟信号（ｂ

）采集到的超声信号图５　超声的输入信号和采集到的信号

　结束语

基于ＦＰＧＡ的超声信号采集系统实现了超声信号的超高速采集和存储，但还需要做好噪声信号处理方面的问题，如对信号进行滤波处理，防止超声信号被覆盖等。若存储数据量很大时，因ＦＰＧＡ内部存储资源有限，还需要扩展外部的存储资源，应注意时序的控制使传输速度之间协调。参考文献：

［１］万耀，李小清，周云飞，等．基于ＦＰＧＡ多通道数据采集

系统设计［Ｊ］．微计算机信息，２００３（２３）：１９９－２０１．４４