超声波检测高速数据采集和传输技术的研究
李劲松 叶琛 梅德松
（核工业无损检测中心，上海虹漕路29号，邮编：200233）
摘要 研制了用于超声波数据高速采集和传输的检测系统。采样频率100MHZ以上，可以满足超声波检测数据实时采集的需要。采用的PCI实时技术解决了高速大容量现场检测数据的存储和传输。同时应用的关键硬件FPGA和PLD器件可以较强地适用于科研开发和调试，具有一定的保密性，可以大大缩小硬件的体积。
主题词 超声波检测，高速A/D，高速数据传输，波形检测
1．引言
超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。
八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。但是，这些设备也仅停留在超声波检测频率较低的频段的信号处理上，主要是受到高速A/D和高速存储技术的限制。
为了减少人为因素对检测结果的影响，使波形能记录和保存，并达到检测结果的直观性，需实现超声波检测分析和成像处理，这就要求实现数据的高速采集和大数据量缓冲。因此，开展数据高速采集技术的研究和实现是非常必要的，它是能否实现超声波检测分析和成像处理的关键技术之一。
2．国内外研究现状及意义
目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。
国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。
国外已把100MHZ以上采样频率的高速A/D技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现A、B、C扫描。虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。
因此，开展该项技术的研究，如何把高速A/D技术、大容量缓冲技术以及信号的处理、分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一项具有现实意义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶。
3．系统的基本结构
我们所研究和开发的数字式超声波检测和成像处理系统是采用PC微机，以高速实时采集和存储及数字成像为主要技术的实时检测系统。系统主要由下列部分组成：双微机（或工控机）系统、超声波脉冲发射器、超声波信号接收器、高速数据采集卡、数据处理和分析软件包以及传感器、探头运动和扫描控制系统等。系统框图如图1所示。
图1 系统总体结构
3．1 系统的基本功能
l 具有A型扫描超声波探伤设备的全部功能和分析方法
l DAC曲线调校点数1—32点任选
l 工作频率：1—40MHZ
l 具有可程控和可选择的四通道方式和数据的实时记录
l 检测数据实时存盘
l 全汉化的WINDOWS NT用户界面，双计算机协调工作
l 多窗户的图形分析
l 可事后分析、处理、测试任何位置范围内的探伤情况
l 实时的A扫描显示（单、双、四通道方式可选）、扫查控制显示
l 事后A扫描显示、B扫描显示、C扫描显示，3D显示，各显示方式可相互比较
l 分析结果和检测报告软件，打印出分析结果和检测报告
l 扫查控制接口协调
3．2 主要研究内容
l 高速A/D转换技术，具有100MHZ以上采样频率。
l 检测数据的存储（因数据量很大，需实现高速缓冲存储）。
l 设备的小型化和保密性。
l 多通道检测的通道切换和数据存储分配。
l 数据管理、同步方式选择、高速回放。
由于目前采样频率100MHZ以上的高速A/D转换器已产品化，计算机总线的传输速率已大大提高，高速大容量缓冲的出现，使得高频信号的实时数据采集、传送和存储能够实现。在研究内容中，充分考虑到目前关键技术所采用的器件类型，保证研究内容的完成。
4．信号采集及其处理
信号采集、处理和分析是研究和工业开发领域的常用工具，也是超声无损检测技术所采用的有效方法。其目的是通过增强接收信号中某些特征，从而取出对检测目的特别有用的信息。
4． 1 数据采集及模/数转换
4．1．1 基本概念
超声检测设备中的数据采集通过换能器传递信号，它把振动的机械能转换成电信号，信号具有连续的形式，为使它能由计算机处理，需将模拟信号转换成数字信号。将模拟信号转换成数字信号是通过对信号在各个离散的瞬间进行取样完成的，即将信号幅度数字化成一系列数字的过程（图2）。
图2 模数转换过程图
从理论上说，对幅度的取样是瞬时的，而数字的表达又是无限精确的。而实际上，取样是限时的，幅度也是被转换成有限位数的二进制代码。对于一个有实用价值，最高频率为fM 的有限带宽信号所进行的连续时间富氏变换得到的是一个总频带宽度为2 fM的对称函数。取样信号s[n]是将s(t)乘以取样函数：
d(t)=∑δ(t-nT)
式中：T---取样时间间隔；
δ—离散增量函。
若t= nT，则有：δ(t-nT)=1， 且t≠nT时，δ(t-nT)=0
富氏变换D(f)也是采样函数：
D(f)=(1/T) ∑δ(f-kF)
式中：F=1/T
δ(t-nT)项用于定义离散序列S[n]，写成离散脉冲函数加权和的形式：
S[n]= ∑s(t)δ(t-nT)
式中S[n]表示取样信号，这里用方括号取代用于表示连续函数的圆括号。
使用卷积定理，可把富氏变换写成s(t)和δ(t-nT)的富氏变换的卷积：
S[k]=S(f)＊D(f)= (1/T)∑δ(f-kF)
离散富氏变换S[k]是S(f)的间歇复制，复制的频率间距为F=1/T。可按两种特殊情况：F>2 fM 时，相邻频谱无重叠；F<2 fM 时，相邻频谱有重叠，这一现象就是所谓的同名现象。取样频率极限FN=2 fM ，超过此频率时便不再有重叠，该频率就是内奎斯特（Nyquist）频率。若满足条件：FN>2 fM，原始信号的恢复将可以实现，只需将取样信号波形通过矩形低通滤波器即可。若取样频率低于此值，原始连续信号便不可能根据它的取样信号波形得到不失真的恢复。
4．1．2 A/D转换
按转换器的工作原理不同，A/D转换器通常可分为积分型和比较型。积分型A/D转换器先将输入的模拟量转换为中间量，然后再将此中间量变换成相应的数字量。这种类型的A/D器件的特点是抗干扰能力强，精度高，但速率较低。高速A/D转换器一般采用比较型。下面介绍几种适用于高速变换的A/D转换器。
（1） 闪烁式A/D转换器：将采样的模拟信号直接与各个不同的参考电压比较，从而得出相应的数字信号大小。这种方式只需一个A/D内部周期即可得到数字结果，速度相当快，但分辨率不高。它需要2N（N为A/D的位数）个内部比较器，电路非常复杂。
（2） 逐次比较型A/D转换器：其原理是利用比较器不断地对采样模拟信号与D/A转换器产生的标准模拟电压进行比较，直到两者之差小于1LSB为止。这种方式需要N个内部周期来完成一次转换,但只需一个比较器,比较容易提高分辨率,电路较简单。
（3） ΣΔ A/D转换器：其原理是将模拟信号先进行ΣΔ调制，再通过高性能的数字滤波，就能得到高分辨率的数字信号。这种方式能获得较大的信噪比，它实际上利用了下面要介绍的过采样技术。
为了满足软件无线电对数据采集模块的需求，进一步提高采集的性能，在上述基本结构的基础上，采用了一些改进的采集技术，现分别介绍如下：
（1） 正交采样技术：将要进行数字化的信号分成两个分量，其中一个乘以正弦波，下变频到零中心频率上；另一个乘以900相移的正弦波，下变频到零中心频率上。每一分量只以原信号的二分之一带宽出现，以原信号的二分之一采样速率进行取样。
（2） 带通信号采样技术：如果前一模块送出的是带通模拟信号，可以以低于抽样定理中的Nyquist采样率进行模数转换。只要采样率fs不低于两倍的信号带宽（fh-fl），就不会导致信号的频谱的重叠，同时，fs还应满足：
2fh/k<fs<2fl/（k-1）
这里k是满足如下关系的整数2<k<fh/（fh-fl）
（3） 过采样技术：以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称之为过采样技术，采用过采样技术会带来两个好处。首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计要求；其次，过采样技术可提高信噪比。
（4） 并行ADC、DAC技术：软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近射频端。高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围都提出了较高要求，这时可采用并行A/D转换技术，其基本原理如图3所示。这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。
图3 并行A/D技术原理框图
4． 2高速A/D数据采集
4．2．1采样频率和缓冲容量的确定
本课题是针对超声波工业检测设备而开发的高速数据采集技术，因此，检测对象基本上为钢体材料。超声波在钢中传播时，纵波CL的传播速度为5900米/秒，横波CS的传播速度为3230米/秒，可见，超声波在钢中的传播速度很快。因此，对于一定厚度的工件进行检测时，超声波在工件中的传播时间很短，尤其对于薄壁材料检测，传播距离更短。从以下超声波检测的基本方法可以计算出超声波的传播时间，确定检测频率和缓冲的容量要求。
4．2．2超声波传播时间的计算
超声波在钢中的传播速度、距离和时间的关系公式为：
D=C·T
式中： D表示声程（距离）
C表示声速
T表示传播时间
如果采用反射法直探头进行检测（如图4），在其探测范围内的传播时间：
T=2H/C
式中： H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
图4反射法直探头进行检测
如果采用反射法斜探头进行检测（如图5，6），则要考虑入射角和几次声程的影响。采用一次声程探伤，在其探测范围内的传播时间：
T=2H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
φ表示探头入射角
图5反射法斜探头进行检测（一次声程）
采用二次声程探伤，在其探测范围内的传播时间：
T=4H/(cosφ·C)
式中： H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
φ表示探头入射角
图6反射法斜探头进行检测（二次声程）
4． 2．3 采样频率的确定
从以上的超声波传播时间可以看出，对于钢质材料的超声波检测，由于超声波在钢中传播时间很短，因此，一般需采用较高的检测频率。尤其对于薄壁材料的检测，为了得到足够的分辨率，采用高的检测频率就更为重要。这就要求有足够的采样频率才能满足信号采集的要求。
如对于1mm厚的材料进行检测，由于超声波在其中的传播时间仅为0.339μs，要达到10%（0.1mm）的检测精度，必须要能分辨0.0339μs的信号周期，不至于信号重叠而无法分辨。这就要求检测频率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的检测频率fM。因此，对于采样频率FN至少满足内奎斯特（Nyquist）频率，即满足条件：FN>2 fM ，也就是采样频率至少达到60MHZ以上。对于整个系统的设计检测频率上限40MHZ，采样频率必须在80MHZ以上。
为了提高信噪比和检测精度，我们选择了大于Nyquist采样率的过采样技术。确定了整个系统的采样速率必须达到100MHZ以上。
当然，整个系统为了满足不同检测要求的需要，采样速率是可以调整的，在检测频率不是很高时，可以降低采样速率，以减小缓冲容量的要求。
4．2．4 缓存器容量的确定
由于整个系统的采样速率较高，要对信号数据进行保存，就需要使用高速缓存器，缓存器的容量应该把探测范围内的时域信号得以保存。我们选用了64K容量的缓存器。
在200MHZ采样速率的情况下，64K缓存器可存储的时域信号的时间长度为：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
这种采样频率一般用于检测频率较高的检测信号的采集，用高检测频率检测薄壁材料时，往往采用纵波入射和45度斜探头一次声程的横波入射方式，在同样厚度的工件中横波入射方式检测的时域信号时间长度较长，因此该容量的缓存器可适应的最大厚度的工件厚度为：
H=(320μs·3230m/s·cos45)/2=365mm
对于薄壁材料远小于该厚度值，因此所设计的缓存器容量是足够的。
而对于壁厚较厚的工件，一般采用1--5MHZ的检测频率，采用30MHZ的采样频率足以满足信号数据采样的要求，这时64K缓存器可存储的时域信号的时间长度为：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即使使用70度斜探头二次声程的横波入射方式，该容量的缓存器可适应的最大工件厚度为：
H=(2133μs·3230m/s·cos70)/4=589mm
它也能适应压力容器等工业检测的需要，比较重要的核电站反应堆压力容器的壁厚只有在250 mm左右。
4．3 A/D采集卡的设计和开发
为了满足对超声波宽频带高速率的信号进行采集的要求，设计了一种基于并行直接转换原理的flash A/D转换器的高速8位分辨率的数据采集卡。
该采集卡的主要性能指标是：
（1）最大采样率为200MHz；
（2）数据分辨率为8位；
（3）数据缓存容量为64k*16位；
（4）模拟输入带宽>70MHZ；
（5）输入路数：4路
（6）转换触发方式：可编程为定时触发、指令触发、外源触发
（7）数据传输速率：25MBytes/S
采集卡设计成计算机扩展槽的插板形式，不需外接电源，其各种状态可通过主机进行编程控制，便于用户使用。
4．4 高速数据缓存器
数据的缓存使用了两片高速FIFO，在将采集得到的数据写入其中一片时，后续模块同时对另一片中的数据进行处理。对FIFO进行对写是在时序控制模块的控制下进行的，但数据的读出由用户自己的后续模块自己进行，并提供相应的控制信号。FIFO缓存器由于其先进先出的特性，数据的读写都无需提供地址信号，简化了电路的设计，提高了数据的吞吐率。该FIFO的最高运行速率是100MHz，这完全满足系统的要求。
5． 超声波检测数据的传输和记录
5．1 系统简介
由于本系统采集速率较高，因此对于传输的速率要求相对也比较高。由于ISA总线制定的时间较早，不可避免地带有一些局限性，例如数据宽度仅为16位、总线同步时钟也只有8MHZ等。而目前CPU的数据宽度和工作频率都有了很大的提高，同时面向图形的操作系统的引入，使标准的PC I/O结构中的处理器和它的显示外设之间产生了数据瓶颈，ISA总线已经不能满足系统要求。但如果将外设的功能在与系统处理器总线同样宽的高宽带总线上实现，这个瓶颈就可以消除，因此引入了高宽带总线，通常称为“局部总线”。在多种局部总线中，VESA总线和PCI总线是比较具有代表性的两种。
在本项课题数字式超声波成像系统中应用PCI总线作高速数据采集和传输。整个系统的硬件由两个部分组成：主处理机（PC）和信号发射/接收前端组成，如图7所示：
图7 系统基本框图
图中灰色部分的接口卡就是本课题要研究的对象：PCI总线接口卡。它起的作用是发射/接收前端与主处理机之间的桥梁。在发射/接收前端，高速采样后的接收信号在A/D转换后，经由连接电缆送到接口卡，再由接口卡通过PCI总线传送到主处理机内存中指定的数据接收区。
5． 2 PCI总线的特点
PCI总线即外设部件互连，是一种新型的、同步的、高宽带的、独立于处理器的总线。其所以能在各类总线中脱颖而出，是因为其具有以下特点：
⑴传输速度快。最高工作频率33MHZ，峰值吞吐率在32位时为132MB/S，64位时为264MB/S。
⑵支持无限猝发读写方式。读写时后面可跟无数个数据周期，具有强大的数据猝发传输能力。
⑶支持并行工作方式。PCI控制器具有多级缓冲，利用它可使PCI总线上外设与CPU并行工作。例如CPU输出数据时，先将数据快速送到缓冲器中，当这些数据不断送往设备时，CPU就可转而执行其他工作了。
⑷独立于处理器。PCI在CPU和外设间插入一个复杂的管理层用以协调数据传输，通常称之为桥。桥的主要功能是在两种不同的信号环境之间进行转换，并向系统中所有的主控制器提供一致的总线接口。因此PCI总线可支持多种系列的处理器，并为处理器升级创造了条件。
⑸提供4种规格，可定义32位/64位以及5V/3.3V电压信号。3.3V电压信号环境的定义为PCI总线进入便携机领域提供了便利。
⑹数据线和地址线采用了多路复用结构，减少了针脚数。一般而言，32位字长、仅作目标设备的接口只需47条引脚，作为总线控制者的设备接口再加2条引脚，并可有选择地增加信号线以扩展功能，如64位字长的接口卡需加39条引脚，资源锁定加1条引脚，等等。
⑺支持即插即用功能，能实现自动配置。在PCI器件上包含有寄存器，上面带有配置所需的器件信息，使外设适配器在和系统连接时能自动进行配置，无须人工干预。
5．3 硬件结构
这里对接口卡的硬件结构作一简要描述。本接口卡的结构由图8所示：
图8 接口卡的结构
从连接电缆输入的16位宽的数据经信号缓冲后暂存在FIFO中，然后被PCI总线接口芯片读出并通过PCI总线送到主处理机内存中指定的数据接收区。
5．3．1 PCI总线接口芯片结构
PCI总线接口芯片是用FPGA来实现的。其上除了完成与PCI总线接口所必须的PCI总线配置寄存器之外，还具有一些用户可编程的控制寄存器。用户通过对这些控制寄存器编程，就可使PCI总线接口芯片自动向系统申请占用总线，从FIFO中读出数据并传送到系统内存中指定的数据接收区中。
芯片内部由两个模块组成：PCI接口模块和FIFO接口模块。PCI接口模块负责与PCI总线端相接的逻辑。FIFO接口模块负责与FIFO端相接的逻辑。如图9所示：
图9 PCI接口模块和FIFO接口模块图
5．3．2 PCI接口模块
PCI接口模块除了实现PCI总线配置寄存器以外，还起到FIFO接口模块与PCI总线之间的转接作用。一方面，来自PCI总线上的对FIFO接口模块中控制寄存器的读写要经PCI接口模块才能转换为可以被FIFO接口模块接收的读写信号；另一方面，FIFO接口模块从FIFO中读取的数据需要经过PCI接口模块才能转换为PCI总线上的相应信号被系统接收。。
5．3．3 FIFO接口模块
FIFO接口模块的功能是控制从FIFO读出数据，然后通过PCI接口模块向总线发出申请，得到许可后开始向系统内存指定的数据接收区传送数据。FIFO接口模块中还实现了可编程的控制寄存器，可使软件对数据传送进行控制。
5．4 软件接口
本接口卡的软件接口包括两个部分：与PCI系统相关的软件接口及与用户应用相关的软件接口。与PCI系统相关的软件接口是PCI总线配置寄存器，包括本接口卡的生产厂商所指定的设备标志号、修订版本号以及PCI SIG所分配的厂商标志号寄存器，还有状态寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。与用户应用相关的软件接口是与本接口卡实现的特定功能相关的寄存器，包括两组与数据传送有关的起始地址寄存器和结束地址寄存器，还有命令寄存器和状态寄存器。
对与用户应用相关的寄存器的操作都应以32位的方式进行。若以8位或16位的方式操作，将产生不可预知的结果。
在内存以字节（8位）为单位进行寻址的情况下，在进行16位或32位的操作时认为字节排列顺序如下：高位字节在地址较大的字节上，低位字节在地址较小的字节上，
在各个寄存器中，有些寄存器是只读的，有些寄存器是可读可写的，还有一些寄存器是可读可清除的。以上这些属性在以后对每个寄存器的说明中将分别以只读、读/写、读/清的字样标出。
对于只读和可读可写属性应该是见词明义，这里就不多作说明。对于可读可清除属性，在这里有必要说明一下。对可读可清除的寄存器作读操作时，与一般的读操作无异。在写操作时，那些写入1的位会被清0，那些写入0的位则不受影响。具体来说，当某个具有可读可清除属性的字节内容为01010101时，若对该字节读，则读出的内容为01010101。若对该字节写入00001111时，该字节的低4位被清0，内容改变为01010000。
6. 结论
1． 从调试结果和研制结果来看，超声波信号采集、分析和成像处理系统的整体设计方案是正确的，整套系统可以满足频率范围从1MHZ到40MHZ超声波检测采集和分析的需要，同时可以调整采样速率，适应不同检测频率的记录要求。
2． 该课题采用全数字式超声波信号显示和处理方式，可以为超声波检测的分析提供必要的数据，对检测结果更为准确和直观。可以更为精确地对缺陷进行定位和定量。同时，为超声波检测设备的开发提供了良好的开发手段。对提高我国的超声波检测设备的开发水平具有积极意义。
3． 该课题中采用的PCI实时技术解决了高速大容量现场检测数据的存储和传输，为其他有关项目的开发提供了方案。
4． 课题中应用的关键硬件FPGA和PLD器件可以较强地适用于科研开发和调试，同时具有一定的保密性，对知识产权的保护提供了方案。并且，可以大大缩小硬件的体积。
5． 课题中采用的谱估计方法进行信号处理，可以从噪声中提取回波信息，可以降低硬件的开发难度。
整个系统的开发成功对于提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶具有重要的意义。
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