用于超声无损检测的四通道超声探伤卡的硬件设计方法

　　四通道超声探伤卡的总体结构
　　四通道超声探伤卡的总体结构框图如图1所示。从框图中可以看出，其主要由超声发射电路、通道选择、放大滤波、数据采集压缩、卡内微处理器、USB接口等部分组成。
　　四通道采用分时工作方式。四个通道分时进行超声发射，回波信号经过通道选择开关后进行信号放大与带通滤波，然后在FPGA的控制下进行A/D转换，采集的数据在FPGA内实时压缩后存入FPGA内部的双端口RAM中，然后由卡上的微处理器读取数据，再次进行数字滤波后通过USB接口向上位PC机传送。
　　

　　超声波发射电路
　　四通道超声探伤卡所具有的四组发射电路是完全相同的，采用分时工作方式。通常情况下，此四路发射电路被设置为重复工作方式，其重复频率以及探头的激活顺序由用户根据钢板的厚度等具体情况在微型计算机的主界面参数设置项中设定，初始化时再传入超声探伤卡的控制系统中。发射电路的激活是由FPGA来完成的，当FPGA输出的窄脉冲加在某一发射电路上时，该发射电路便开始工作。超声发射电路主要用于产生高压窄脉冲信号（400V），此高压窄脉冲信号加载在超声探头的压电晶片上，将电能转换为声能（机械能）而产生超声波信号。单个通道的超声波信号发射电路如图2所示。ICL7667是二通道的单功率场效应管驱动器，可将微弱的TTL输入信号转换为高电压/强电流输出，转换速度高。该电路的工作原理为：在没有发射脉冲时，高压电源通过R4、R2对C2充电，使其两端的电压差达到+400V。发射脉冲到达后，场效应管Q1导通，C2通过Q1放电。由于电容两端的电压不能突变，使得D2的输出端电位在瞬间约为-400V，这个负脉冲作用于超声探头，使其产生压电变换，发射超声波。
　　

　　回波通道选择
　　由于在同一时刻只能选用一路（也只有一路）回波信号，因而选用了MAX4141芯片来完成回波信号的选择。MAX4141是由MAXIM公司生产的一款宽频带（330MHz，700V/μs）、带缓冲放大器的四选一多路分配器芯片，它不但具有非常快的开关切换速率，而且具有高输入、低输出阻抗的特点，从而使回波信号可以充分地加载到下一级的可编程增益放大器上。回波信号选通电路如图3所示。Siganl In0~Siganl In3分别对应四路探头的回波信号，Signal Out 为经过缓冲驱动及阻抗变换后的回波信号。单片机P0口给出的两个信号线用于MAX4141的通道选择。其具体工作情况如表1所示。
　　

　　
　　高频放大电路
　　回波信号通常比较微弱，故采用高频放大电路来对回波信号进行放大。由于测试的对象（钢板厚度）不同，所以回波信号的强弱也不定，因此在设计高频放大电路时，将其设计成可以动态控制增益值的程控放大电路，通过MCU对其增益进行动态控制。在增益放大电路的设计中，选用了可变增益、低噪声运算放大器AD603，其可实现dB形式的线性增益，每伏电压可有40dB的增益值。增益范围可通过对其引脚的不同连接实现两种方式的选择，即-11dB～+31dB（带宽90MHz）和0dB～+40dB（带宽30MHz）。在设计中，采用两块AD603芯片通过二级级联来构成程控增益放大电路，第一级设置成-10dB～+30dB的增益范围，第二级设置成0dB～+40dB的增益范围。二级之间采用交流耦合方式，以避免前级直流电压的漂移经后级放大后淹没了有用的回波信号。增益控制电压（Gain Control Voltage）由D/A转换器的输出来控制。本设计中电路连接如图4所示，电路的增益范围为-10dB～+70dB，对于中厚钢板探伤，完全可满足设计要求。图中VREF为D/A转换器的内部参考电压放大两倍后的输出，其值为2.4V，由于AD603的电压增益控制端对微小的电压变化很敏感，所以在电路的设计中每一级都加上了滤波电容，以克服干扰信号对电压增益的影响。

　　带通滤波电路
　　带通滤波电路是用来对回波信号放大过程中引入的噪声进行滤除。由于本超声探伤卡具有四个通道，每个通道所用超声探头不一定相同，同时同一通道也可更换不同的超声探头，所以只用一种滤波电路的滤波效果不会很好；又由于超声探头的发射频率范围较宽，一般在400kHz～10MHz之间，故在本研究中，设计了两组带通滤波电路，其带宽范围分别为400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz，可由单片机通过驱动继电器来选通，具体电路如图5所示。
　　
　　FPGA功能设计
　　FPGA是本检测系统中用作数字信号处理的核心部件，借助其用户可编程特性及其很高的内部时钟频率，设计了专用于超声检测的数据处理芯片，使得整个检测系统的检测速度大大提高。FPGA在本系统中具有非常重要的地位，一些数据信号处理都是通过它来完成的，其内部功能框图如图6所示。从图中可以看出，FPGA主要由窄脉冲产生采样延时模块、参数寄存器模块、数据采集压缩模块、双端口RAM模块以及缺陷自动判断模块组成。其具体工作原理见参考文献［3］。
　　
　　微处理器与USB接口
　　整个板卡的工作由微处理器（MCU）进行控制。本设计中上位PC机将控制参数传递给MCU，包括延时参数、增益值、判伤DAC曲线、滤波器选择等，然后由MCU将这些参数分别传递给FPGA、增益控制器（D/A转换器）以实现板卡控制。此外，MCU还将对FPGA采集的数据进行数字滤波，以改善信噪比。
　　MCU与上位PC机之间的数据传送是通过USB接口实现的，设计中采用了PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，其性价比高，工作稳定可靠，超声回波信号最终传入上位PC机进行显示及缺陷分析。