摘要：文中提出了一種基于FPGA的八通道超聲探傷系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)利用低功耗可變增益運放和八通道ADC構成高集成度的前端放大和數據采集模塊；采用FPGA和ARM作為數字信號處理的核心和人機交互的通道。為了滿足探傷系統(tǒng)實時、高速的要求，我們采用了硬件報警，缺陷回波峰值包絡存儲等關鍵技術。此外，該系統(tǒng)在小型化和數字化方面有顯著提高，為便攜式多通道超聲檢測系統(tǒng)設計奠定基礎。
關鍵詞：八通道；超聲探傷；硬件報警；FPGA

超聲波探傷是一種重要的無損檢測方法，在大型鍋爐、發(fā)電機組、鐵路橋梁和航空航天等各個工業(yè)部門都得到了廣泛的應用，并成為保證工程質量、確保設備安全的一種重要手段。
目前國內研制的超聲探傷儀器大部分為便攜式單通道。這些儀器重量輕，使用方便，便于探傷人員攜帶使用。但單通道儀器同時具有掃查面積小，速度慢，誤判率高等缺陷，不利于掃描大型器件。而少數多通道儀器則都是基于PC機所研制的。這些儀器能夠快速掃描各種器件，但是同時具有體積大，價格高等缺點，不利于多通道探傷儀的應用和普及。
針對上述提到的一些問題，結合現代數字信號處理技術和微電子技術，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)和FPGA的便攜式八通道超聲探傷系統(tǒng)的解決方案。該方案采用ARM9處理器作為主控芯片，利用大容量的FPGA進行并行處理，能夠同時滿足便攜性和實時性兩大要求。并能通過以太網接口，將數據快速傳輸到PC機上，對信號進行進一步的處理。

1 八通道超聲探傷系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包含前端發(fā)射接收電路、八通道模數轉換電路，FPGA數據處理與邏輯控制系統(tǒng)和ARM后處理模塊4個部分組成。

前端發(fā)射接收電路的主要作用為生成用于激發(fā)探頭陣元產生超聲波的高壓脈沖，接受回波，以及實現對回波信號進行數控增益。ADC將采樣的模擬信號轉化成數字信號。FPGA模塊主要實現對數據的FIR濾波，非均勻壓縮，硬件報警，峰值包絡的存儲，以及相關的控制邏輯。ARM后處理模塊主要實現波形顯示、通道切換、頻譜分析、參數預置、人機交互等功能和一些相關外設的驅動。
1．1 前端發(fā)射接收電路
前端發(fā)射接收電路是實現八通道超聲設備主要性能指標的關鍵。一般由探頭觸發(fā)電路，隔離網絡，帶通濾波器，可變增益放大器(VGA)4部分級聯而成。
可變增益放大器部分由三級可變增益AD8331級聯而成。AD8331是一款單通道、超低噪聲、線性dB可變增益放大器(VGA)，針對超聲系統(tǒng)應用進行了優(yōu)化，可以用作低噪聲可變增益元件。這款器件內置一個超低噪聲前置放大器(LNA)、一個48 dB增益范圍的VGA以及一個具有可調輸出限制功能的可選增益后置放大器。經過三級級聯和調試以后能夠實現0～120 dB的增益動態(tài)范圍。
1．2 八通道數模轉換電路
本系統(tǒng)采用AD9212作為八通道模數轉換器。AD9212是ADI公司推出的一款八通道，10位采樣精度模數轉換器。該器件內置采樣保持電路，低成本，低功耗，小尺寸，單片集成八個通道的AD電路，能夠極大的減少電路設計的工作量和所需的電路板的面積。與此同時，AD9212采用串行LVDS數據輸出和DDR操作，既具有較高的數據輸出速率，又能減少所需的接口IO資源。
1．3 數據處理與邏輯控制模塊
在本系統(tǒng)中，數據處理與邏輯控制子系統(tǒng)承擔著實時處理八通道數據，配置八個通道的參數，以及操作總線與ARM進行通信的任務。FP GA具有豐富的可編程資源，集成度高，實現靈活，能夠很好的滿足設計要求。

數據處理與邏輯控制子系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示，該子系統(tǒng)主要分成數據處理部分和邏輯控制部分。數據處理模塊實時處理數模轉換器傳輸來的數據流，邏輯控制模塊負責控制外設以及FPGA內部各個模塊的時序。數據處理模塊包括DDR2串并轉換，將AD轉換器傳輸的DDR數據串行轉換成并行數據。并行數據經過FIR濾波器，去除了模擬前端引入的噪聲，最后通過檢波和非均勻壓縮以后得到包絡數據。邏輯控制模塊主要實現發(fā)射的正負延時控制，增益的控制以及該子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和控制。