一種基于FPGA的高速超聲波采集模塊設(shè)計(jì)

由于超聲波檢測具有穿透力強(qiáng)，檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、冶金造船、石油化工、鐵路等領(lǐng)域起著廣泛的作用。一般采用超聲無損檢測技術(shù)的超聲探傷儀有模擬式和數(shù)字式之分，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬式超聲探傷儀正逐漸被功能先進(jìn)的數(shù)字式超聲探傷儀所取代。

超聲波的回波信號是高頻信號，其中心頻率最高達(dá)到20 MHz以上，常用的超聲波探頭中回波信號的頻率一般為2.5～10 MHz，要使這樣的高頻信號數(shù)字化，系統(tǒng)就對模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路提出了很高的要求。根據(jù)Shannon采樣定理和Nyquist采樣準(zhǔn)則，在理想的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了使采樣信號不失真地復(fù)現(xiàn)輸入信號，采樣頻率至少是輸入信號最高頻率的兩倍。在實(shí)際使用中，為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，應(yīng)增加在每個(gè)輸入信號周期內(nèi)的采樣次數(shù)，一般每周期采樣7～lO次。有些系統(tǒng)對采樣信號頻率的要求更高?，F(xiàn)有的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案在可靠性、功耗、采樣速度和精度上都存在諸多不足，不能滿足某些實(shí)際情況的需要，而大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)高速、高精度、高可靠性、低功耗的超聲信號采集方案提供了可能性。本文設(shè)計(jì)了一種采樣速率達(dá)100 MHz的超聲波采集模塊，并通過FPGA對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。

1 數(shù)字式超聲探傷儀原理

數(shù)字式超聲探傷儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示

數(shù)字化超聲探傷儀一般包括超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、信號調(diào)理單元(包括放大、檢波、濾波等模擬信號處理環(huán)節(jié))、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)緩沖單元、數(shù)據(jù)處理單元、波形顯示單元以及系統(tǒng)控制與輸入/輸出單元(包括通信、鍵盤操作、報(bào)警等)。本文主要討論數(shù)字式超聲探傷儀中高速采集的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法，涉及到A/D轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)緩沖單元。

2 高速度、高精度采樣硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)框圖

圖2給出本文數(shù)據(jù)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖，它由高速A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、FPGA、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及電源電路組成。其中，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)對模擬信號進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換;FPGA負(fù)責(zé)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖。下面對A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及FPGA進(jìn)行介紹。

2.2 AD9446簡介

AD9446是一種16 b ADC，具有高達(dá)100 MSPS的采樣率，同時(shí)集成有高性能采樣保持器和參考電壓源。同大多數(shù)高速大動(dòng)態(tài)范圍的ADC芯片一樣，AD9446也是差分輸入，這種輸入方式能夠很好地抑制偶次諧波和共模信號的干擾。AD9446可以工作在CMOS模式和低電壓差分信號(LVD-S)模式，通過輸出邏輯控制引腳進(jìn)行模式設(shè)置。另外，AD9446的數(shù)字輸出也是可選擇的?？梢詾橹苯佣M(jìn)制源碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼方式。在實(shí)際電路的PCB設(shè)計(jì)中，由于AD9446是對噪聲敏感的模擬器件，所以在具體PCB設(shè)計(jì)時(shí)需做到以下幾個(gè)方面：A/D模擬電源單獨(dú)供電，模擬地與數(shù)字地單點(diǎn)接地，差分輸入線等長，采用精確的參考電壓源等。

2.3 采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖的FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊的數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖等功能。文中FPGA采用Xilinx公司的Spartan3E系列(XC3S500E)。這款FPGA芯片功能強(qiáng)大，I/O資源豐富，能夠滿足很多實(shí)際場合的需要。下面對其中數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖FIFO的設(shè)計(jì)做出介紹。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集控制

AD9446芯片的控制時(shí)序與傳統(tǒng)的低速A/D有所不同，它完全依靠時(shí)鐘來控制其采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出。AD9446通常在CLK第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿開始采樣轉(zhuǎn)換，并在經(jīng)過延遲tpd后，開始輸出數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)則在第13個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)才出現(xiàn)在D15～D0端口上。圖3是AD9446工作在CMOS模式下的時(shí)序圖。

數(shù)字時(shí)鐘管理單元(DCM)是FPGA內(nèi)部管理、掌控時(shí)鐘的專用模塊，能完成分頻、倍頻、去抖動(dòng)和相移等功能。通過FPGA的DCM可以很方便地對AD9446的時(shí)鐘輸入信號進(jìn)行掌控。在實(shí)際電路中需要注意的是要做到DCM倍頻輸出的時(shí)鐘信號與AD9446的時(shí)鐘輸入信號保持電平匹配。

下面給出調(diào)用DCM后時(shí)鐘輸出的VHDL語言描述：

2.3.2 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮處理是對射頻信號高速采樣后進(jìn)行前置處理的重要環(huán)節(jié)之一，需要在保持超聲回波信號基本特征前提下對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行在線壓縮，而且要求壓縮后的數(shù)據(jù)與原始采樣信號的包絡(luò)相吻合。為此，在每次壓縮過程中，只取采樣所得的最大值，而舍棄其他采樣值。FPGA將計(jì)算所得采樣數(shù)據(jù)的壓縮比、探頭前沿延時(shí)計(jì)數(shù)值等數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的鎖存器，然后發(fā)出時(shí)序復(fù)位命令并發(fā)射，啟動(dòng)探頭延時(shí)計(jì)數(shù)，延時(shí)到后啟動(dòng)A/D采樣，同時(shí)壓縮比計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘信號的控制下，每采樣一次，壓縮比計(jì)數(shù)器減1，并將當(dāng)前采樣值與前次采樣值比較，如大于則保存，否則舍棄，直至壓縮比計(jì)數(shù)到零后，得到一個(gè)有效的采樣數(shù)據(jù)。同時(shí)壓縮比計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)位，重新開始計(jì)數(shù)，其工作流程如圖4所示。

2.3.3 數(shù)據(jù)緩沖

為了解決前端數(shù)據(jù)采集與后端數(shù)據(jù)傳輸在速率上的不匹配問題，在FPGA內(nèi)部設(shè)置一塊數(shù)據(jù)緩沖FIFO，大小為8K×16 b，壓縮后的數(shù)據(jù)直接存儲到FIFO中，而微處理器對FIFO中數(shù)據(jù)的讀取通過中斷方式完成。數(shù)據(jù)緩沖FIFO通過core generator例化，只需要少量的讀/寫控制邏輯就可以使FIFO正常工作，而且FIFO的大小可以在FPGA提供的RAM位數(shù)范圍內(nèi)靈活設(shè)置。下面給出例化后的FIFO的VHDL語言描述：

保存在FIFO中的數(shù)據(jù)通過這些邏輯控制端口便于微處理器對其進(jìn)行讀取、清零等操作。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)的基于AD9446的數(shù)據(jù)采集模塊采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)緩沖等功能，簡化了硬件電路，提高了模塊的可靠性和穩(wěn)定性，并有利于模塊的功能升級。同時(shí)采用高速高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器滿足了數(shù)字式超聲波探傷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集精度方面的要求。另外，F(xiàn)P-GA對數(shù)據(jù)進(jìn)行的預(yù)處理，方便了微處理器對數(shù)據(jù)的調(diào)用和后處理。