基于TMS320C6201的鋼軌超聲波探傷系統(tǒng)

　　1　引言

　　目前鐵路路檢部門的檢測設備主要是手推式鋼軌探傷儀。檢測時由工人技師根據(jù)儀器顯示屏上的超聲波回波信號波形,依據(jù)過去經(jīng)驗判斷鋼軌是否有損傷,并需人工進行確認。這種探傷方式,主觀性較高,效率較低,且不能得到損傷詳細情況。同時,這種超聲波探傷儀沒有對檢測信號記錄和信息處理的功能,現(xiàn)場檢測時依賴工作人員主觀對儀器顯示屏上的超聲回波信號進行判斷和手工記錄,所以檢測結(jié)果的準確性和可靠性有很大的隨機因素。更重要的是,按照國際施工檢驗標準規(guī)定,超聲波檢測必須要有可靠和可信的現(xiàn)場記錄。

　　因此,不論是從提高施工質(zhì)量檢驗水平和管理水平,還是與國際標準接軌方面考慮,都有必要增加超聲波探傷檢驗信息的智能化處理和自動記錄功能。近年來,數(shù)字技術(shù)已經(jīng)部分應用于超聲波探傷設備中,這些探傷儀可分為以下兩種類型:一種在傳統(tǒng)的超聲波探傷儀的基礎上增加PC機系統(tǒng)組合而成,這種系統(tǒng)一般體積較大,不適合野外作業(yè),使用不方便;另一種是在儀器使用單片機技術(shù),對信號進行簡單的采集、顯示,但由于單片機芯片的性能限制,不能對數(shù)據(jù)進行實時處理,只是簡單的數(shù)字化。

　　我們研制的探傷系統(tǒng)把現(xiàn)今最先進的數(shù)字信號處理器技術(shù)應用于超聲波探傷儀,能夠?qū)崟r進行信號采集、處理、顯示,具有信號存儲,并可與PC機通訊的探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為硬、軟件兩部分。

　　2　系統(tǒng)概述

　　本研究項目是運用近年來數(shù)字信號處理技術(shù)方面的最新成果,研制出的一種新型鋼軌超聲探傷系統(tǒng)。本系統(tǒng)對比原探傷儀增加了對超聲波回波信號進行數(shù)字化,并進行實時信號處理,信號分析,常見的損傷信號判斷處理,損傷的類型確定并可具體計算損傷的相應大小及位置?，F(xiàn)場使用時,把該系統(tǒng)的新功能和工人的經(jīng)驗相結(jié)合,可得到非常理想的結(jié)果。明顯克服原儀器的不足,提高探傷的準確性和可靠性。并提高勞動效率,降低勞動強度。

　　另外,該系統(tǒng)對超聲波信號進行存儲記憶,與PC機進行通訊, 將數(shù)據(jù)存儲在PC機上,為以后在PC機上實現(xiàn)對信號的再處理分析提供條件。系統(tǒng)的核心判斷部分由軟件算法來完成,這就為日后隨著研究的深入,改進分析處理算法,升級系統(tǒng)提供較簡便的方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1所示。整個系統(tǒng)有三個部分組成。

　　超聲波發(fā)送接受部分,包括超聲波產(chǎn)生發(fā)射、接受、信號調(diào)理;DSP信號處理部分,包括數(shù)字信號采集、數(shù)據(jù)信號傳輸、 DSP數(shù)據(jù)實時處理、報警;顯示部分主要將前部分處理后的信號及信號處理結(jié)果進行顯示及存儲、和 PC機的通訊。經(jīng)超聲波換能器(探頭)發(fā)射并接受的回波信號經(jīng)前端信號調(diào)理進行AD轉(zhuǎn)換、采集,由DSP進行實時處理分析。處理的最后結(jié)果通過前端的PIC16F877 單片機(front MCU)進行永久存儲并顯示。

　　系統(tǒng)的信號存儲器容量有限,需要定時將儀器內(nèi)存儲的信息保存到PC機上。通過儀器上的串口與PC機進行通訊,以便存儲下載到微機上保存?？梢詫Ρ４嬖谖C上的信號利用我們編制的程序進行再現(xiàn),或利用其他信號分析工具進行再分析。

　　3　信號處理設計

　　3.1　信號采集及數(shù)據(jù)傳輸設計

　　系統(tǒng)中的超聲波換能器的標稱工作頻率為 2 MHz,實際由于探頭的晶片顯示和安裝工藝的影響,實際頻帶范圍在標稱頻率的±5%左右。根據(jù)采樣定律,實際上采樣頻率至少應為信號的二倍,系統(tǒng)中我們的采樣頻率為5 MHz。為實現(xiàn)較高的采樣頻率和數(shù)字傳輸,硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:AD轉(zhuǎn)換器件 AD9042其采樣頻率為5 MHz,精度為12位,其時鐘時信處理板上的時鐘經(jīng)分頻提供。雙口RAM采用兩片IDT公司的IDT7042組成,容量為4K×32位。右端與C6201相連,占用C6201的CE3空間。左端與 AD9042之間采用FPGA進行連結(jié),FPAG(Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列,是一種半定制電路。通過對FPGA編制程序,FPGA控制AD啟動和采樣頻率,并由FPGA存儲A/D采樣結(jié)果。超聲波信號經(jīng)過前端調(diào)理電路處理,信號進入 AD9042。采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA鎖存,同時FPGA通過LCE# LWE# DRACS選定一片雙口RAM,通過地址產(chǎn)生器產(chǎn)生的地址,將數(shù)據(jù)存儲到IDT7042 中。當數(shù)據(jù)存儲滿時,FPGA觸發(fā)DSPC6201的外部 INT7中斷,DSP運行中斷處理程序,將數(shù)據(jù)存入到雙口RAM中。同時,FPGA將采樣的數(shù)據(jù)存儲到另一片雙口RAM中。DSP的存儲操作不影響A/D采樣。