超声导波管道诊断仪系统主机的实现

【摘要】本系统主机主要有三个功能：首先，产生一脉冲激励源，其中心频率、周期数、幅值、重复频率等参数均可设置以适用于超声导波信号特征，并进行信号处理、功率放大，从而驱动负载产生超声导波，以实现对被检测管道的激励;其次，实现对传感器输出的信号调理、数据采集、数据保存及数据传输;最后，实现其它辅助功能。本文详细阐述了超声导波脉冲激励源及多通道高速数据采集的实现。

【关键词】超声波导波;脉冲激励;A/D转换;D/A转换

1.引言

超声导波管道诊断仪是能够实现对管道缺陷进行在线检测的检测仪器，相对于传统的超声检测方法，它的检测范围更广，检测长度到更长，其在管道上的检测长度能达到上百米。

超声导波管道检测的工作原理是利用传感器环在管道外壁上激励超声导波，导波在管道壁内传播，其遇到管道内的缺陷时产生回波，通过接收、采集缺陷回波信号来实现对缺陷的定位与定量分析。超声导波检测仪主要由系统主机，传感器模块与计算机模块（软件分析模块）三个部分组成，如图1所示。

图1 超声导波管道诊断仪组成

系统主机模块的主要功能是根据设定参数产生脉冲激励信号，接收、采集缺陷回波信号并实现数据的保存与传输;传感器模块的功能是实现电能与超声波机械能的转换;计算机模块主要功能为分析接收的导波信号，得出正确的管道诊断信息。

2.超声导波诊断仪系统主机总体方案设计

系统主机模块的功能是：接收上位机设定参数，按参数设定值产生脉冲激励信号并进行信号处理、功率放大，从而驱动负载产生超声导波，以实现对被检测管道的激励;实现对检测传感器输出信号的调理、数据采集、数据保存及数据传输;实现其它辅助控制功能。

系统主机要通过USB口与上位机传递数据，选用CY7C68013A芯片来实现，CY7C 68013A芯片集成USB 2.0收发器、智能串行接口引擎（SIE）和增强型8051微处理器;选用DAC芯片产生脉冲激励信号，考虑精度、转换速度与通道数量，选用DAC5662A芯片;数据采集选用ADS5270;考虑到两路脉冲激励信号和32通道数据采集同步完成，选用XC3S250E系列FPGA芯片作为DAC和ADC的控制芯片;由于系统要求达到1MHZ以上的数据采集速度，在脉冲激励信号产生和数据采集的过程中无法实现数据传输，故需扩展RAM以保存数据;由CY7C68013A芯片输出控制信号实现功放电路的控制、ADC通道控制、数据采集信号调理电路自校验控制等。系统主机硬件电路原理框图如图2所示（虚线框内部分）。

3.脉冲激励信号通道的实现

脉冲激励信号通道的功能是输出2路符合“设定值要求”的“汉宁窗调制正弦波”信号并进行信号处理、功率放大，从而驱动负载产生超声导波，以实现对被检测管道的激励。如图3为激励周数为5的输出信号波形：

图3 周数为5的脉冲激励信号波形

图3中，“延迟时间”是由上位机设定的;Yb波形与Ya波形是反相的;Ya波形计算公式为：Ya=0.5（1-COS（（2*п*t）/T））*SIN（2*п*t）

T：激励周数，由上位机设定，上图中T=5;t：参数。

3.1 设定参数的接收

系统主机首先通过USB口正确接收来自上位机的有关“脉冲激励信号”的参数设定值并保存。参数设定值包括激励信号频率K，取值范围为10khz～200khz;激励周数T，取值为5、10或20;时间延迟Δt，取值范围为0～30us。

3.2 生成DAC数据表

系统主机产生的脉冲激励信号Ya波形，实际上是“T”个被“调制”过的正弦波，我们用“X”个DAC点来生成一个正弦波，则共有X*T个DAC数据，其中，T为激励周数，按系统要求，T取值为5、10、或20，由上位机设定;X的取值要综合考虑FPGA工作速度、DAC芯片转换速度和生成正弦波失真度。

如取X=200，按公式Ya=0.5（1-COS （（2*п*t）/T））*SIN（2*п*t）计算：

Ya5（T=5，共有X*T=200*5=1000个DAC数据）;

Ya10（T=10，共有X*T=200*10=2000个DAC数据）;

Ya20（T=20，共有X*T=200*20=4000个DAC数据）。

为保证DAC满量程输出，Ya5、Ya10、Ya20须乘以系数M得YA5、YA10和YA20。因为Yb与Ya反相，将YA5、YA10和YA20反相得YB5、YB10和YB20，将YA5、YA10、YA20、YB5、YB10和YB20六个数组保存在CY7C68013A芯片的ROM中。

3.3 通过DAC产生脉冲激励信号

系统主机根据接收到的有关“脉冲激励信号”的参数设定值产生脉冲激励信号Ya：

（1）CY7C68013A芯片根据上位机设定的“K”值和所取的“X”值，计算输出DAC数据的周期Tda并传送到FPGA：Tda=1/（K*X）单位：s。

（2）CY7C68013A芯片根据上位机设定的“T”值选取YA5和YB5（T=5）或YA10和YB10（T=10）或YA20和YB20（T=20）三组数据中的一组数据作为YA和YB并传送到FPGA。

（3）CY7C68013A芯片向FPGA发出“启动”命令。

（4）FPGA启动DAC转换。以Tda为周期从YA中依次取出数据送DAC的A通道，产生Ya波;延时“Δt”后以Tda为周期从YB中依次取出数据送DAC的B通道，产生Yb波。

（5）直到YB中数据取尽，脉冲激励信号产生结束。

3.4 脉冲激励信号调理与功率放大

根据传感器模块工作要求，超声导波脉冲激励信号的Vp_Vp为100V，电流为3A左右，因此，系统主机须对DAC产生的脉冲激励信号进行信号调理与功率放大，功率放大电路原理框图如图4所示。

4.缺陷回波信号采集通道的实现

缺陷回波信号采集通道实现对检测传感器输出信号的调理、数据采集、数据保存及数据传输。

4.1 设定参数的接收

系统主机首先通过USB口正确接收来自上位机的有关“缺陷回波信号采集”的参数设定值并保存。参数设定值包括传感器个数I，取值为0、1或2，CY7C68013A芯片根据此参数控制外围电路实现回波信号采集通道的自检验、并联输入或独立输入;采样周数Tad，取值为1us～5ms;采样点数N，最大取值为64000。

4.2 回波信号采集

（1）CY7C68013A芯片向FPGA发出“启动”命令后，FPGA同时启动32通道A/D转换。

（2）ADC转换结束，FPGA依次读取转换结果并按序保存到扩展RAM中。

（3）FPGA按设定采样周期Tad再次启动A/D转换，共启动“N”次。

（4）采样结束，FPGA向CY7C68013A芯片发出结束信号。

4.3 采样结果上传

CY7C68013A芯片收到采样结束信号后，从扩展RAM中依次读取ADC数据并通过USB口正确传送给上位机。

系统主机一外完整的工作过程结束，等待上位机再次启动命令。

5.测试结果

色沙计量喂料机样机设计制作完成后进行了现场测试，结果如下：

（1）计量精度满足要求，能用于产品生产，操作方便，工作稳定。

（2）由于样机密封不佳，在同步清料时有粉尘外泄，需改进。

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作者简介：冯菲（1986—），女，上海人，在读工程硕士研究生，现供职于上海交通大学医学院附属卫生学校。