技术领域
[0001] 本
发明涉及
超声波探伤技术领域，具体涉及一种全波形超声波探伤仪。
背景技术
[0002] 作为一种
无损检测技术，超声波探伤仪以其检出效率高、安全无
辐射、耗材消耗少、综合使用成本低等优点在工业领域得到了广泛的应用。限于缓存能
力和屏幕显示能力，常规超探采取的做法是将波形进行
抽取，比如采集了128K个数据点，要显示在屏幕上，只能显示320个点或者640个点(这跟屏幕的显示
分辨率)，数字超声波探伤在存储探伤波形也仅仅是把抽取后的点进行保存，这样就丢失了大量的波形信息。因为在很多
缺陷类型的判断是根据波形来实现的，抽取后仅仅保留了幅度信息，因此需要设计一种能够将超声波探伤全波形保存下来的
电路架构，以实现后续的处理和分析。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种全波形超声波探伤仪。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种全波形超声波探伤仪，包括ARM处理器、现场可编程
门阵列和SRAM缓存模
块，所述ARM处理器通过FMC
接口与所述
现场可编程门阵列进行数据传输实现通信，所述现场可编程门阵列和所述SRAM缓存模块之间采用并行接口传输；还包括ADC模块、功率放大电路、超声波
探头和显示屏，所述现场可编程门阵列和所述ADC模块通过并行接口实现数据传输，所述现场可编程门阵列发出脉冲控制
信号，经过所述功率放大电路输出高压尖脉冲，使得所述超声波探头将
电信号转换为声信号，所述超声波探头用于接收声信号并将声信号转化为电信号，电信号经由
可变增益放大器实现信号的低噪声放大，放大后的回波信号被送入所述ADC模块实现由
模拟信号转换成
数字信号的过程，所述现场可编程门阵列用于
控制信号和信号的运算处理，处理后的信号通过所述显示屏显示。
[0005] 在本发明中，优选地，所述ARM处理器的型号采用的是STM32F767VIT6，所述ARM处理器通过LCD接口与所述显示屏相连，所述ARM处理器和所述SRAM缓存模块采用16bit并行接口，所述现场可编程门阵列的D0-D15
端子作为数据线，所述现场可编程门阵列的A0-A18作为地址线，所述现场可编程门阵列的/WR_BUF端子、/CS_BUF、/RD_BUF端子作为控制线，所述现场可编程门阵列的/WR_BUF端子作为写信号，所述现场可编程门阵列的/CS_BUF端子作为片选信号，所述现场可编程门阵列的/RD_BUF端子作为读信号。
[0006] 在本发明中，优选地，所述ARM处理器的BOOTO端子通过
电阻R65接地，所述ARM处理器的VREF+端子、VBAT端子、VDDA端子、VDD端子均连有3.3V直流
电压，所述ARM处理器的VREF+端子通过电容C36接地，所述ARM处理器的VCAP_1端子通过电容C54接地，所述ARM处理器的VCAP_2端子通过电容C55接地，所述ARM处理器的VDDA端子通过电容C45接地，所述ARM处理器的VDD端子通过电容C46接地。
[0007] 在本发明中，优选地，所述现场可编程门阵列的D0-D9端子分别和所述ADC模块的ADD0-ADD9端子相连，所述现场可编程门阵列的CLK端子和所述ADC模块的ENCODE端子相连，所述现场可编程门阵列的PWRDN端子和所述ADC模块的PWRDN端子相连。
[0008] 在本发明中，优选地，所述ARM处理器通过EMMC总线协议连有EMMC
存储器，所述EMMC存储器的VDDI端子通过并联电容C67和电容C68接地，所述ARM处理器的RFU/VSS4通过电阻R68接地，所述ARM处理器的RFU/VSS5通过电阻R69接地，所述ARM处理器的VCC1-VCC4端子均连有3.3V直流电压，所述ARM处理器的VCC1端子通过有极电容C69接地，且所述ARM处理器的VCC1端子通过电阻R115和所述ARM处理器的VCCQ1相连，所述ARM处理器的VCC1端子通过电阻R117和所述ARM处理器的VCCQ1相连。
[0009] 在本发明中，优选地，ARM处理器采用USB接口连接有PC机，所述ARM处理器将数据上传所述PC机进行进一步的分析和处理。
[0010] 在本发明中，优选地，所述现场可编程门阵列的型号采用的是EP4CE22F17C8N。
[0011] 在本发明中，优选地，所述SRAM缓存模块的型号采用的是IS61LV51216。
[0012] 在本发明中，优选地，所述
可变增益放大器的型号采用的是AD8332。
[0013] 在本发明中，优选地，所述EMMC存储器的型号设置为KLMCG8GEAC-B001。
[0014] 本发明具有的优点和积极效果是：通过ARM处理器、现场可编程门阵列和SRAM缓存模块之间的相互配合，建立起ARM+FPGA+SRAM的架构能够抓取并保存探伤波的全波形，而不是抽取后的波形，进而方便对整个探伤范围的缺陷波进行特征识别和搜索；在现场扫查并保存下来的全波形的缺陷波可以保存到EMMC存储器中，回到实验室可以通过USB数据线导入到PC机上进行保存和再处理；数据的再现和保存数据的抽取处理在ARM中就可以完成，而不需要再经过现场可编程门阵列；EMMC存储器容量可以做到64G甚至更高，存储能力非常强大。
附图说明
[0015] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与本发明的
实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0016] 图1是本发明的一种全波形超声波探伤仪的现场可编程门阵列的
信号传输示意图；
[0017] 图2是本发明的一种全波形超声波探伤仪的整体结构
框图；
[0018] 图3是本发明的一种全波形超声波探伤仪的现场可编程门阵列的电路原理图；
[0019] 图4是本发明的一种全波形超声波探伤仪的超声波探头的电路原理图；
[0020] 图5是本发明的一种全波形超声波探伤仪的ARM处理器的电路原理图；
[0021] 图6是本发明的一种全波形超声波探伤仪的现场可编程门阵列的芯片引脚图；
[0022] 图7是本发明的一种全波形超声波探伤仪的显示屏的电路原理图；
[0023] 图8是本发明的一种全波形超声波探伤仪的EMMC存储器的电路原理图。
具体实施方式
[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“
水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0026] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0027] 如图1至图8所示，本发明提供一种全波形超声波探伤仪，包括ARM处理器、现场可编程门阵列和SRAM缓存模块，ARM处理器通过FMC接口与现场可编程门阵列进行数据传输实现通信，现场可编程门阵列和SRAM缓存模块之间采用并行接口传输；还包括ADC模块、功率放大电路、超声波探头和显示屏，现场可编程门阵列和ADC模块通过并行接口实现数据传输，现场可编程门阵列发出脉冲控制信号，经过功率放大电路输出高压尖脉冲，使得超声波探头将电信号转换为声信号，超声波探头用于接收声信号并将声信号转化为电信号，电信号经由可变增益放大器实现信号的低噪声放大，放大后的回波信号被送入ADC模块实现由模拟信号转换成数字信号的过程，现场可编程门阵列用于控制信号和信号的运算处理，处理后的信号通过显示屏显示。现场可编程门阵列和SRAM缓存模块之间采用16bit并行接口，地址线为A0-A18，数据线为D0-D15，控制线分别为片选信号、读允许、写允许，寻址空间为512K*16bit，现场可编程门阵列和ARM处理器之间的接口采用FMC接口，数据宽度为16bit；
ARM处理器通过LCD接口
直接驱动显示屏，显示屏采用的是640*480分辨率的彩色
液晶屏，在超声波探测仪进行扫查的过程中，从现场可编程门阵列传送到ARM上的数据是经过抽取的，数据量只有不到2K字节；经过冻结后从现场可编程门阵列传送到ARM处理器上的数据是冻结时刻的没有抽取的完整探伤波形，该数据数量约为1MByte，充分保存了丰富的缺陷信息，该1MByte数据传输到ARM处理器上最多只有几十毫秒，而且在冻结状态下没有新的数据量进来，显示屏也不刷新显示，这个传输环节用户是感觉不到的，数据的再现和保存数据的抽取处理在ARM处理器中就可以完成，而不需要再经过现场可编程门阵列，方便对整个探伤范围的缺陷波进行特征识别和搜索。ADC模块采用的型号是AD9215，该型号采用单电源供电，内置一高性能釆样保持放大器和基准电压源。AD9215釆用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在105MSPS
数据速率时可提供10位
精度，并保证在整个
工作温度范围内无失码。
利用AD9215的宽带宽、真差分
采样保持放大器，在使用时可以选择包括单端应用在内的各种输入范围和偏移。该器件也适用于在连续通道中切换满量程电平的多路复用系统，以及釆用远超过Nyquist范围的
频率对单通道输入进行釆样，采用一个单端时钟输入来控制所有内部转换周期，一个占空比稳定器用来补偿较大的时钟占空比
波动，同时保持出色的性能；数字输出数据格式为标准二进制或二进制补码。
[0028] ARM处理器和现场可编程门阵列之间通过FMC接口进行数据传输和指令的下达，包含有五根控制线和16根数据线。现场可编程门阵列与ADC模块之间采用10bit并行接口进行数据传输，ENCODE作为
同步信号与ADC模块的CLK引脚相连，在其下降沿ADC模块启动转换，在上升沿ADC模块的转换结果传送到总线上，被现场可编程门阵列读取；PWRDN作为供电控制信号与ADC模块的PWRDN引脚相连，当该信号被拉高时，ADC模块进入省电状态。现场可编程门阵列与SRAM缓存模块之间也采用并行接口进行数据传输，包括三根控制线，19根地址线和16根数据线。
[0029] 在本实施例中，进一步地，ARM处理器的型号采用的是STM32F767VIT6，ARM处理器通过LCD接口与显示屏相连，ARM处理器和SRAM缓存模块采用16bit并行接口，现场可编程门阵列的D0-D15端子作为数据线，现场可编程门阵列的A0-A18作为地址线，现场可编程门阵列的/WR_BUF端子、/CS_BUF、/RD_BUF端子作为控制线，现场可编程门阵列的/WR_BUF端子作为写信号，现场可编程门阵列的/CS_BUF端子作为片选信号，现场可编程门阵列的/RD_BUF端子作为读信号。该型号的ARM处理器其封装为100脚扁平方型封装，集成RGB模式的LCD接口，其主频最高可以达到216MHz，具有462DMIPS的指令处理能力,程序和数据FLASH为2MBFlash，内存为512+16+4KBRAM,具有USBOTGHS/FS接口能力,其内部还有一个自适应的实时
加速器和一个FPU(浮点处理器)，因此采用的
微处理器具有强大的接口能力和控制能力，又有强大的
数据处理能力。
[0030] 在本实施例中，进一步地，ARM处理器的BOOTO端子通过电阻R65接地，ARM处理器的VREF+端子、VBAT端子、VDDA端子、VDD端子均连有3.3V直流电压，ARM处理器的VREF+端子通过电容C36接地，ARM处理器的VCAP_1端子通过电容C54接地，ARM处理器的VCAP_2端子通过电容C55接地，ARM处理器的VDDA端子通过电容C45接地，ARM处理器的VDD端子通过电容C46接地。
[0031] 在本实施例中，进一步地，现场可编程门阵列的D0-D9端子分别和ADC模块的ADD0-ADD9端子相连，现场可编程门阵列的CLK端子和ADC模块的ENCODE端子相连，现场可编程门阵列的PWRDN端子和ADC模块的PWRDN端子相连。ARM微处理器作为超声波探伤仪的主
控制器，当ARM处理器通过FMC接口向现场可编程门阵列发送启动命令时，现场可编程门阵列便通过ENCODE信号线向ADC模块输出一个105MHz的
时钟信号，超声波探头进行
数据采集并将声信号转化为电信号。一次采样数据量＝采样率*测量范围*2/声速，经过上述计算这个数据量不超过1M字节，在现场可编程门阵列控制ADC模块进行数据采集的同时，会把数据压入SRAM缓存模块进行数据的缓存，而当本次采集完成之后下次采集完成之前的“间期”内，现场可编程门阵列会对SRAM缓存模块中的缓存数据进行抽样、检波、求包络、简单特征识别等处理。如果ARM处理器没有发出冻结指令，则现场可编程门阵列将抽取后的数据传送到ARM处理器中，然后接着进行下一轮采集；如果已经发出冻结指令，则现场可编程门阵列停止数据采集，将SRAM缓存模块中的全波形数据传送给ARM处理器。
[0032] 在本实施例中，进一步地，ARM处理器通过EMMC总线协议连有EMMC存储器，EMMC存储器的VDDI端子通过并联电容C67和电容C68接地，ARM处理器的RFU/VSS4通过电阻R68接地，ARM处理器的RFU/VSS5通过电阻R69接地，ARM处理器的VCC1-VCC4端子均连有3.3V直流电压，ARM处理器的VCC1端子通过有极电容C69接地，且ARM处理器的VCC1端子通过电阻R115和ARM处理器的VCCQ1相连，ARM处理器的VCC1端子通过电阻R117和ARM处理器的VCCQ1相连。
[0033] 在本实施例中，进一步地，ARM处理器采用USB接口连接有PC机，ARM处理器将数据上传PC机进行进一步的分析和处理。
[0034] 在本实施例中，进一步地，现场可编程门阵列的型号采用的是EP4CE22F17C8N。现场可编程门阵列采用FBGA-256的封装是因为可用I/O口数比较多，这是考虑到适用于该超声波探伤仪中用到的管脚数目较多的情况，能够满足实际使用的需求。
[0035] 在本实施例中，进一步地，SRAM缓存模块的型号采用的是IS61LV51216，具有1M字节的空间，可操作频率高于125MHz，ADC模块的采样时钟配置为100MHz,该SRAM缓存模块能满足快速缓存的要求。
[0036] 在本实施例中，进一步地，可变增益放大器的型号采用的是AD8332，采用LCR无源器件进行滤波。可变增益放大器能够解决超声回波信号动态范围过宽的问题，在将模拟信号转换为数字信号时，如果信号的动态范围过宽，可能会导致
模数转换器的分辨率不足以捕捉全部有用信息，可变增益放大器能够将幅度小于最低分辨率的
输入信号进行放大，而对幅度大于最大峰峰值的信号进行衰减，从而避免模数转换器出现饱和的情况。
[0037] 在本实施例中，进一步地，EMMC存储器的型号设置为KLMCG8GEAC-B001。
[0038] 本发明的工作原理和工作过程如下：ARM处理器、现场可编程门阵列和SRAM缓存模块，ARM处理器通过FMC接口与现场可编程门阵列进行数据传输实现通信，现场可编程门阵列和SRAM缓存模块之间采用并行接口传输；还包括ADC模块、功率放大电路、超声波探头和显示屏，现场可编程门阵列和ADC模块通过并行接口实现数据传输，现场可编程门阵列发出脉冲控制信号，经过功率放大电路输出高压尖脉冲，使得超声波探头将电信号转换为声信号，超声波探头用于接收声信号并将声信号转化为电信号，电信号经由可变增益放大器实现信号的低噪声放大，放大后的回波信号被送入ADC模块实现由模拟信号转换成数字信号的过程，现场可编程门阵列用于控制信号和信号的运算处理，处理后的信号通过显示屏显示。本实施例中可变增益放大器的型号采用的是AD8332，该型号是一种单通道、线性dB可变增益放大器，在产品设计时特别针对超声波探测仪进行了优化，具备超低噪声的特点。AD8332可以在超声波探测仪中作为低噪声可变增益放大器进行使用，其内置有一超低噪声前置放大器、一48dB增益范围的可变增益放大器，以及一具有可调输出限制功能的可选增益后置放大器，现场可编程门阵列作为逻辑器件控制超声波发射电路和超声波接收电路中的LNA(低噪声前置放大器)、VGA(可变增益放大器)、AAF(抗
混叠滤波器)。ARM微处理器作为超声波探伤仪的
主控制器，当ARM处理器通过FMC接口向现场可编程门阵列发送启动命令时，现场可编程门阵列便通过ENCODE信号线向ADC模块输出一个105MHz的时钟信号。在超声检测的过程中,超声检测发射电路产生的超声频率的电振荡脉冲通过探头转换成机械振动,以超声波的形式发射到被检测物中去,而后被缺陷反射回来的超声波信号,然后由超声波探头接收并转换成电信号。超声波探头所起的作用实际上是实现在电信号
和声信号之间进行转换。
[0039] 一次采样数据量＝采样率*测量范围*2/声速，经过上述计算这个数据量不超过1M字节，在现场可编程门阵列控制ADC模块进行数据采集的同时，会把数据压入SRAM缓存模块进行数据的缓存，而当本次采集完成之后下次采集完成之前的“间期”内，现场可编程门阵列会对SRAM缓存模块中的缓存数据进行抽样、检波、求包络、简单特征识别等处理。如果ARM处理器没有发出冻结指令，则现场可编程门阵列将抽取后的数据传送到ARM处理器中，然后接着进行下一轮采集；如果已经发出冻结指令，则现场可编程门阵列停止数据采集，将SRAM缓存模块中的全波形数据传送给ARM处理器。
[0040] 本发明的特点在于：通过ARM处理器、现场可编程门阵列和SRAM缓存模块之间的相互配合，建立起ARM+FPGA+SRAM的架构能够抓取并保存探伤波的全波形，而不是抽取后的波形，进而方便对整个探伤范围的缺陷波进行特征识别和搜索；在现场扫查并保存下来的全波形的缺陷波可以保存到EMMC存储器中，回到实验室可以通过USB数据线导入到PC机上进行保存和再处理；数据的再现和保存数据的抽取处理在ARM中就可以完成，而不需要再经过现场可编程门阵列；EMMC存储器容量可以做到64G甚至更高，存储能力非常强大。
[0041] 以上对本发明的实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本
专利涵盖范围之内。
