一種基于fpga控制的超聲波脈沖收發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于FPGA控制的超聲波脈沖收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能良好，性能穩(wěn)定，功耗低，成本合理，在鋼鐵工業(yè)，石油化工，航空航天，鐵路船舶，高壓容器，醫(yī)療透視等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合和發(fā)展空間。
【背景技術(shù)】
超聲無損檢測(cè)作為無損檢測(cè)技術(shù)的主要組成部分之一在生產(chǎn)過程中占有極其重要的地位。與日常聽得到的聲音相比，超聲具有能量高、指向性好能量集中、檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)，而被運(yùn)用到檢測(cè)領(lǐng)域。與X射線法等無損檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)成本低廉、效率高、穿透性好、使用靈活方便以及對(duì)人體無害等優(yōu)勢(shì)。超聲檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分也是其核心部分之一就是超聲收發(fā)儀。超聲收發(fā)儀性能的提升伴隨著超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。超聲收發(fā)儀的性能好壞直接影響到檢測(cè)的可靠性和可信度。超聲檢測(cè)廣泛的應(yīng)用范圍，比如超聲探傷、超聲顯微、聲發(fā)射技術(shù)、超聲測(cè)厚以及超聲測(cè)量材料應(yīng)力或彈性模量等都是超聲收發(fā)儀技術(shù)與測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)成像等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
[0002]我國(guó)無損檢測(cè)技術(shù)及超聲收發(fā)儀器的開發(fā)都已經(jīng)取得了較為卓越的進(jìn)展，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用較快的發(fā)展并發(fā)揮著重要的作用。在超聲無損檢測(cè)領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)制訂了一系列標(biāo)準(zhǔn)，并參照了一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，逐步開始與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。但就精度和可靠性方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家之間差距還有不少。存在的問題如:檢測(cè)人員技術(shù)掌握程度欠足，檢測(cè)的理論體系和特殊領(lǐng)域的檢測(cè)方法還有待完善，而且受制于機(jī)械與電子電器等各方面水平的約束，也限制了檢測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性的進(jìn)一步提升。
[0003]現(xiàn)今市場(chǎng)上廣泛存在的超聲收發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)極大程度上滿足了許多檢測(cè)場(chǎng)合的需求，但成型的超聲收發(fā)儀產(chǎn)品畢竟已經(jīng)成型，修改起來十分不易，對(duì)于一些特殊領(lǐng)域的要求的可塑性不夠，而且現(xiàn)有的高性能產(chǎn)品依然保持至高昂的售價(jià)，這也制約了一些場(chǎng)合的使用。對(duì)于院校及科研院所來說，收發(fā)系統(tǒng)廠家嚴(yán)格的技術(shù)保密措施使得儀器很難直接滿足要求，其核心技術(shù)也是作為高端產(chǎn)品封閉處理的，用戶也難以接觸，不利于收發(fā)系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)和改造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于FPGA控制的超聲波脈沖收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能良好、性能穩(wěn)定、功耗低、成本合理、拓展性好、適用范圍廣，滿足工業(yè)檢測(cè)的特殊領(lǐng)域的需求，為客戶提供硬件程序重新配置接口和用戶自主開發(fā)所用到的DLL編程接口。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
一種基于FPGA控制的超聲波脈沖收發(fā)系統(tǒng),其特征在于,包括控制模塊、電源模塊、超聲激勵(lì)模塊、保護(hù)電路模塊、接收模塊以及換能器探頭；所述的控制模塊包括PC工控機(jī)、PCI接口電路以及核心控制器，該核心控制器選用EP1C12Q240C8N型FPGA作為數(shù)字信號(hào)控制芯片，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)、協(xié)調(diào)其他功能模塊工作，該P(yáng)CI接口電路選用PCI9054作為開發(fā)所用的接口芯片完成PC工控機(jī)與核心控制器的數(shù)據(jù)通訊；所述電源模塊為系統(tǒng)各功能電路提供電源供電，其輸入來源于工控機(jī)PCI插槽，該電源模塊采用LMS1578系列線性穩(wěn)壓芯片完成+3.3V和+1.5V的電源轉(zhuǎn)換，同時(shí)采用ADM8660型開關(guān)電容式變換器完成-5V電源的轉(zhuǎn)換；所述的超聲激勵(lì)模塊包括高壓電源單元和脈沖發(fā)射單元，該高壓電源單元將輸入的直流12V轉(zhuǎn)換為幅值為100V、150V、200V和250V的可調(diào)高輸出激勵(lì)電壓，該脈沖發(fā)射單元在核心控制器的控制下產(chǎn)生正負(fù)高壓窄矩形波脈沖激勵(lì)超聲探頭產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波；所述的保護(hù)電路模塊接在高壓脈沖與探頭之間，用于隔離系統(tǒng)的高壓脈沖，該保護(hù)電路模塊選擇帶并聯(lián)限位的橋式保護(hù)電路；所述的接收模塊包括一級(jí)放大單元、可選低通濾波單元、時(shí)間增益補(bǔ)償單元以及可選高通濾波單元，微小超聲回波信號(hào)由換能器探頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)通過接收模塊處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在核心控制器中進(jìn)行數(shù)字處理，如數(shù)字濾波、頻譜分析等。
[0006]該基于FPGA控制的超聲波脈沖收發(fā)系統(tǒng)中，所述超聲激勵(lì)模塊包括正高壓電源電路和負(fù)高壓電源電路；該高壓電源單元采用直流升壓方案完成+300V和-300V的電源轉(zhuǎn)換，該高壓電源單元選用HV9113型PffM控制器作為主控芯片。
[0007]該基于FPGA控制的超聲波脈沖收發(fā)系統(tǒng)中，所述一級(jí)放大單元采用基于AD8331芯片的可變?cè)鲆骐娐?；所述時(shí)間增益補(bǔ)償單元采用AD9762型數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述可選低通濾波單元基于ADG704型選通切換器設(shè)計(jì)，同時(shí)在濾波器前端與后端使用電壓跟隨器；所述可選高通濾波單元采用四階歸一化巴特沃斯高通濾波器。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一款基于FPGA控制的超聲脈沖收發(fā)裝置，其核心部分是FPGA控制的脈沖收發(fā)電路板，它主要包含高壓電源轉(zhuǎn)換電路，脈沖發(fā)射電路，接受保護(hù)電路，放大電路，濾波電路，時(shí)間增益補(bǔ)償電路，F(xiàn)PGA的邏輯控制電路，D/A轉(zhuǎn)換電路和PCI總線接口電路。FPGA是整個(gè)電路的時(shí)序及邏輯控制和數(shù)字信號(hào)處理的核心模塊。FPGA通過控制脈沖發(fā)射電路，產(chǎn)生正負(fù)高壓窄矩形波脈沖激勵(lì)超聲探頭產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波。高壓脈沖可以被保護(hù)電路隔離，而由探頭接收到的微小的超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)則可通過，傳輸至回波信號(hào)處理電路中。超聲回波經(jīng)過一系列的處理，如前置放大、濾波、時(shí)間增益補(bǔ)償和數(shù)模轉(zhuǎn)換等。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字濾波，頻譜分析等。上位機(jī)通過PCI總線橋接芯片PCI9054與連接到PCI總線FPGA進(jìn)行通信，并通過總線驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)PCI總線進(jìn)行讀寫控制，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)超聲檢測(cè)電路控制。
[0009]該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 12V升高壓250V的輸出四級(jí)可調(diào)的高效率DC/DC開關(guān)電源，為高壓脈沖的發(fā)射提供了穩(wěn)定的電壓；同時(shí)開發(fā)了低成本高性能的高壓負(fù)脈沖發(fā)射電路，脈沖寬度和重復(fù)頻率可連續(xù)設(shè)置，最高激勵(lì)頻率達(dá)1MHz ;系統(tǒng)中低損耗高通頻帶的高壓保護(hù)電路，隔離了高壓脈沖端與接收放大電路的直接連接；系統(tǒng)的接收模塊可設(shè)置固定增益和自動(dòng)時(shí)間增益補(bǔ)償功能，都可通過用戶使用程序直接進(jìn)行設(shè)置，其中四組低通濾波器和四組高通濾波器可根據(jù)用戶需求任意組合；系統(tǒng)還具有脈沖的外觸發(fā)功能，可以適用到于收發(fā)卡同步觸發(fā)或是編碼器外觸發(fā)方式。最后，為用戶二次開發(fā)提供了 DLL文件，便于與其他系統(tǒng)的集成使用。
【附圖說明】
[0010]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。
[0011]圖1是脈沖收發(fā)的原理框圖；
圖2是正高壓電源原理圖；
圖3是負(fù)高壓電源原理圖；
圖4是高壓脈沖激勵(lì)模塊框圖；
圖5是單極性負(fù)脈沖發(fā)射電路原理圖；
圖6是帶并聯(lián)限位的橋式保護(hù)電路；
圖7是接收電路功能框圖；
圖8是可變?cè)鲆骐娐返膶?shí)現(xiàn)電路；
圖9是一級(jí)控制電壓的產(chǎn)生電路；
圖10是實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償功能的二級(jí)控制電壓產(chǎn)生路；
圖11是低通濾波器原理圖；
圖12是四階歸一化巴特沃斯低通濾波器；
圖13是FPGA外圍編程配置電路。
【具體實(shí)施方式】
[0012]圖1是脈沖收發(fā)的原理框圖，其核心部分是FPGA控制的脈沖收發(fā)電路板，它主要包含高壓電源轉(zhuǎn)換電路，脈沖發(fā)射電路，接受保護(hù)電路，放大電路，濾波電路，時(shí)間增益補(bǔ)償電路，F(xiàn)PGA的邏輯控制電路，D/A轉(zhuǎn)換電路和PCI總線接口電路。
[0013]本系統(tǒng)選取了 Supertex公司的一款高壓電流模式PffM控制器HV9113作為主控芯片。其輸入電壓在10V-120V，最大占空比可達(dá)99%，反饋精度誤差在±1%范圍內(nèi)，內(nèi)部晶振達(dá)1.0MHz，高效率且低噪聲。另一關(guān)鍵元件電感選取了繞線式屏蔽電感PSCDS功率電感471M，感值470μ H，直流電阻3.9Ω。正高壓電源的實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，轉(zhuǎn)換頻率通過電阻值的選取被設(shè)定為110kHz。MOS管在導(dǎo)通期間，輸入12V電壓對(duì)電感進(jìn)行充電，使其電流升高。在關(guān)斷時(shí)電感內(nèi)存儲(chǔ)的電能通過二極管對(duì)電容充電并為負(fù)載提供能源。為保證負(fù)載有波動(dòng)時(shí)輸出電壓值的相對(duì)穩(wěn)定，通過由輸出電壓通過分壓電阻得到的反饋電壓值與參考電壓值的比較來進(jìn)行對(duì)MOSFET管的占空比進(jìn)行調(diào)整。圖3是負(fù)高壓電源原理圖，對(duì)于產(chǎn)生負(fù)高壓的開關(guān)電源，其原理與上所述的正高壓電源大體相似。而由于其輸出電壓為負(fù)值且為非隔離式從而需要一種升降壓拓?fù)?。HV9113輸出可調(diào)占空比脈沖是為驅(qū)動(dòng)N型MOS管的，而并聯(lián)的Q4與Q5為P型，故使用如圖中的Q3與Q2組合來實(shí)現(xiàn)開關(guān)極性的轉(zhuǎn)換。HV9113輸出為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通而Q3截止，Q4、Q5的柵極電壓低于源極而導(dǎo)通，同樣也分析輸出為低時(shí)截止。
[0014]圖4是高壓脈沖激勵(lì)模塊框圖，高壓直流電源的實(shí)現(xiàn)可以使用工頻220V交流供電，通過變壓與整流模塊實(shí)現(xiàn)直流高壓供電。脈沖激勵(lì)電路通常都由四個(gè)基本組成部分:控制信號(hào)的產(chǎn)生，電平轉(zhuǎn)換電路，MOS管驅(qū)動(dòng)器，和耐高電壓又可以通過相對(duì)高的電流的MOSFET0本課題所選用的矩形波脈沖發(fā)射電路，圖5是單極性負(fù)脈沖發(fā)射電路原理圖:P型MOSFET選擇了 VASHY公司的IRFR9310，其漏-源擊穿電壓VDS為-400V，上升時(shí)間為10ns，開啟電壓VGS (th)為-4V。N型MOSFET選擇ST公司的STD7NM60N，其漏-源擊穿電壓VDS為600V，上升時(shí)間tr為10ns，開啟電壓VGS (th)為3V。但需要注意的是雖然MOSFET開啟電壓在4V左右，但為了保證MOSFET導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻很小，其開啟的電壓一定要在8V以上，所以綜合考慮采用12V驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)器選擇Intersil公司EL7158型超高電流場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器。
[0015]高速FPGA作為