具有預觸發采集功能的超聲波檢測系統的設計與實現

齊文博，劉培洵，郭彥雙

（中國地震局地質研究所 北京100029）

具有預觸發采集功能的超聲波檢測系統的設計與實現

齊文博，劉培洵，郭彥雙

（中國地震局地質研究所 北京100029）

針對軟件自動測定巖石樣品的超聲波速需要精確測算超聲波到時時刻的要求，設計了具有預觸發采集功能的超聲波檢測系統。該系統的預觸發采集功能可使軟件依據預觸發采集數據的噪聲水平正確判定超聲波到時時刻。系統采用幻象電源供電的前置放大器調理超聲波信號，可實現信號遠程傳輸和輸入阻抗匹配。此外，系統基于FPGA方式主控，易于更改和擴展功能；并且借助USB2.0接口進行控制命令和采集數據的雙向高速傳輸。超聲波檢測系統的輸入過壓保護、可調采樣率、可調采樣總長度和可調預觸發長度等特點拓寬了檢測系統的使用范圍。經實驗實測表明：該系統的預觸發采集功能可提高軟件自動判讀超聲波到時時刻的準確度，具有很高的實用價值。

超聲波；預觸發采集；前置放大；幻象供電；USB2.0接口

軟件自動測定特定巖石樣品的超聲波速時，超聲波的到時時刻需要盡可能精確[1-3]。通常采集卡的觸發后采集功能并不能有效地判斷超聲波到時時刻位置，這往往是由于采集卡本身噪聲疊加在超聲波信號中導致超聲波到時時刻位置判斷錯誤；若計算軟件能夠得到觸發前時刻的采樣數據基線噪聲大小，則可依據基線噪聲水平準確判定超聲波到時時刻，大大減小錯誤判斷超聲波到時時刻的幾率。

1 系統架構

如圖1（a）所示，軟件在觸發時刻（發射超聲波到巖石樣品時刻）采集超聲波信號，采集卡本體噪聲會大大增加誤判超聲波到時時刻的幾率，若如圖1（b）中，軟件在觸發時刻前便采集到超聲波的基線噪聲數據，則會大大降低超聲波到時時刻的誤判幾率。基于此，本文設計了一種具有預觸發采集功能的超聲波檢測系統，該超聲波檢測系統應用于巖石的超聲波速測定時可以提高軟件自動判讀超聲波到時時刻的正確率，且其具備幻象供電[4-5]方式的前置放大器，輸1入過壓保護、高轉換速率高分辨率、低噪聲和采樣率連續可調等特點。超聲檢測系統采用FPGA主控外圍芯片的方式進行工作，這樣易于更改和擴展功能[6-7]；cy7c68013A芯片接收上位機命令并傳送給FPGA，FPGA解析命令后控制外圍高速ADC芯片和存儲器芯片進行超聲波信號的數字化轉換和存儲，之后FPGA再將外圍存儲器里的數據通過cy7c68013A芯片回傳給上位機。系統整體的架構見圖2。

圖1 超聲預觸發采集與觸發后采集比較圖

圖2 超聲波檢測系統實現框圖

2 超聲波檢測系統的設計與實現

2.1 超聲前置放大電路

本文設計的超聲前置放大電路[8-9]采用幻象電源進行供電；輸入電源和輸出信號均通過單根同軸電纜進行傳輸，這樣既減少了接口，節省了成本，又可實現遠距離信號傳輸。前置放大電路核心部分采用三級同相放大，第一級采用AD8030運放放大信號20 dB，第二級和第三級總的信號放大增益為20 dB，各級間采用交流方式耦合。放大后的信號由ADA4805-1組成的兩階巴特沃斯低通濾波器[10]濾除額外的噪聲。輸出信號和輸入電源由電容C1和電感L1隔離開來，且串擾到L1支路的交流放大信號和電源紋波噪聲和串擾被L1端接的大電容C2濾除。前置放大電路的輸入端集成了輸入過壓保護電路，可防止高壓輸入損壞器件。整個前置放大電路示意圖如圖3所示。

前置放大電路的直流輸入阻抗設定為Ri=1 kΩ，輸出阻抗Ro=1 kΩ，盡量減少輸入端耦合進來的噪聲。放大電路帶寬的下限頻率滿足公式（1），上限頻率滿足公式（2），此處設定為10 kHz～2 MHz。為防止輸入電源紋波噪聲在P2信號輸出端耦合到交流放大信號中去，設計需要將前置放大電路的交流放大下限截止頻率Fmin設為10倍的L1和C2組成的低通濾波器截止頻率。

2.2 ADC接口電路

圖3 超聲前置放大電路

設計采用Linear公司的LTC2249作為整個檢測系統的模數轉換部件，該芯片最高工頻率為80 MHz，具有14位轉換位數。芯片在時鐘的上升沿將外部輸入的差分模擬信號轉換為數字信號，為此設計需要將前置放大器輸出的調制信號經過圖4中由C5、R5、R6和L2組成解調器分離出前置放大器電源和超聲交流放大信號，之后LT6600芯片再將超聲交流放大信號轉變為合適電平的差分輸入信號。主控FPGA芯片XC3S200提供給LTC2249所需的高質量低抖動轉換時鐘CLK，同時讀取ADC轉換芯片的轉換結果并存入指定的外部存儲器中。

圖4所示的ADC接口電路示意圖中，R3、R4和C2、C7組成的抗混疊濾波器[11]可避免信號帶寬外的噪聲耦合入ADC轉換芯片；R5、R6調整前置放大器輸入信號電平在-1～+1 V內，且使得LT6600輸入端阻抗為1 kΩ，從而與2.1節中的前置放大器實現阻抗匹配。

圖4 ADC接口電路

2.3 預觸發采集功能的實現

預觸發采集模塊分為兩部分：1）ADC數據寫入模塊；2）傳輸數據讀取模塊。首先劃定兩個固定的存儲區域sram1和sram2，長度都為L，sram1地址范圍為0～L1，sram2地址范圍為L1+1～L2。系統復位后，FPGA先不間斷且循環地將ADC芯片轉換的14位數據寫入sram1中，若在sram1的地址S1點處FPGA接收到外部輸入的觸發信號，則FPGA將繼續往地址S1之后的存儲區域寫入ADC數據直到sram1地址L1處；同時，FPGA將寫入空間轉換到sram2，并重復與sram1相同的操作。此時，sram1中地址0～S1的數據為觸發前采集數據，地址S1+1～L1的數據則為觸發后采集數據。

單次預觸發采集結束后，上位機通過USB2.0接口將采集數據讀取到指定的PC存儲區域中去。FPGA中USB雙向傳輸模塊讀取采集后的數據，用Slavefifo方式傳遞給上位機[12-13]；傳輸數據讀取模塊管理sram1或sram2中的數據并傳遞給USB雙向傳輸模塊。FPGA程序在ADC數據寫入模塊中定義一個二進制的當前存儲區域標志wr_flag，每當ADC數據寫入模塊中的存儲區域改變時，wr_flag值就改變一次，傳輸數據讀取模塊檢測到wr_flag跳變時，就由idel狀態進入到triger狀態產生一個單周期的USB讀取觸發信號，觸發USB雙向傳輸模塊從USB傳輸數據讀取模塊中讀取數據并傳輸到上位機，與此同時傳輸數據讀取模塊由triger狀態進入到active狀態輸出存儲數據，完畢之后，再返回到idel狀態等待下一次wr_flag跳變。傳輸數據讀取模塊的狀態機示意圖如圖5所示。機傳送的控制命令進而調整采樣時鐘頻率、采樣總長度、預觸發采樣長度等參數；上行傳輸模塊在檢測到傳輸數據讀取模塊產生的觸發信號后，開始傳輸ADC采樣數據到PC機中。整個USB2.0雙向傳輸模塊的狀態機如圖6所示。

圖5 傳輸數據讀取模塊狀態機

圖6 USB2.0雙向傳輸模塊狀態機

2.4 USB2.0高速雙向傳輸功能的實現

超聲波檢測系統采用USB2.0接口進行雙向數據傳輸：1、下行傳輸模塊-上位機軟件傳輸控制命令到FPGA芯片；2、上行傳輸模塊-FPGA芯片傳輸ADC采樣數據到PC機。為最大程度地提高雙向數據傳送速率，USB2.0芯片CY7C68013A與XC3S200之間采用slavefifo方式通信；下行傳輸模塊解析PC

3 試驗研究

實驗采用超聲波一發一收[14]工作方式；Olympus NDT公司的5077PR高壓脈沖發生器生成200V的負高壓脈沖激勵發射換能器在巖石樣品中產生超聲波，超聲波檢測系統檢測超聲波信號。實驗平臺和系統如圖7所示。

圖7 USB2.0雙向傳輸模塊狀態機

圖7（a）中兩塊楔形大理石組成的平臺中間預留20 cm寬度的斷層空間模擬野外的天然地震斷層帶[15-16]，斷層中填充環氧樹脂來模擬地震斷層中的斷層泥，整個平臺的寬度為400 mm，長度為743.4 mm，高度為401 mm。圖7（b）為整個平臺的側面示意圖，選取圖7（b）中 A 點（523.4，260，373）位置埋藏的超聲發射換能器激勵超聲波用以模擬天然地震的震源，超聲波檢測系統檢測在B點（130，200，400）位置粘貼的超聲接收換能器接收到的超聲波信號。圖7（c）為本文設計的超聲波檢測系統實物圖。

超聲波檢測系統的采樣率設定為50 MHz，采樣總長度為256K字，預觸發采樣長度為采樣總長度為的20%，則得到圖8（a）所示的超聲波信號。圖8（a）中，豎線P點之前的波形為預觸發采集數據，P點之后的波形為觸發后采集數據，同時超聲波檢測系統在P點位置觸發5077PR發射超聲波。由圖8（a）知，檢測到的超聲波信號具有較高的信噪比，檢測系統上位機軟件可依據P點之前預觸發采集數據估算超聲波信號背景噪聲水平，從而自動準確地區分P點之后的背景噪聲與超聲波到時時刻F。

從圖8（b）中F點反映的超聲波到時時刻可知，超聲接收換能器在1 116.66 μs處接收到超聲波信號，距離 P點的時間差為65.66 μs。圖8（b）中 AB 兩點之間的實際距離d=398.864 mm，由此計算得巖石樣品的超聲波速為6074.688 m/s，符合實際的大理石中的超聲波波速范圍，這解決了觸發后采集所帶來的超聲波到時時刻定位不準確的問題。

圖8 超聲波檢測波形

4 結 論

1）所研制的超聲前置放大器采用幻象電源供電，這使得輸入電源和輸出交流信號可通過單根同軸電纜傳輸，且其具有輸入過壓保護，低輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，可與后置ADC接口電路輸入端實現阻抗匹配。

2）所研制的超聲波檢測系統采用FPGA主控架構模式，易于更改和擴展功能，且具有最高80MHz采樣速率、14位數據分辨率、USB2.0雙向傳輸接口等特點，滿足高速檢測巖石中超聲波波速的要求。

3）試驗研究結果表明，所研制的超聲波檢測系統的預觸發采集功能能正確地采集觸發前超聲數據與觸發后超聲數據，且檢測到的超聲波具有較高的信噪比，能幫助上位機計算軟件自動正確定位超聲波到時時刻。

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Design and implementation of ultrasound inspection system with pre trigger acquisition function

QI Wen-bo，LIU Pei-xun，GUO Yan-shuang
（Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

In this paper，an ultrasound inspecting system with the function of pre-trigger acquisition is designed，which is for propose of accurate estimation of the arrival time of ultrasound when rock's ultrasound velocity is detected by software automatically.The system can evaluate the arrival time of ultrasound correctly，according to the noise level of the pre-trigger acquisition data.The system amplifies the ultrasonic signals using the amplifier，which is supplied by phantom power，while it can achieve the remote transmission of signals and input impedance matching.Besides，the system can change and expand the function easily，which is based on FPGA control mode； it can transmit the control command and acquisition data bidirectional by USB2.0 interface.The using scope of ultrasound inspecting system can be widened by its input overvoltage protection，adjustable sampling rate，adjustable sample totallength and adjustable sample pre-length.The experimental results show that the ultrasound inspecting system can improve the accuracy of the automatic estimation of ultrasound arrival time，and it has highly practical value.

Ultrasound； pre-trigger acquisition；preamplifier；phantom power； USB2.0 interface

TN79+1

A

1674－6236（2017）16-0060-05

2016-07-02稿件編號：201607010

中國地震局地質研究所中央級公益性科研院所基本科研業務專項（IGCEA1612）

齊文博（1985—），男，河南新野人，碩士，工程師。研究方向：電子技術開發與應用和構造變形與物理場實驗研究。