时差法超声采集卡设计.docx
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时差法超声采集卡设计
学位论文
时差法超声采集卡设计
作者姓名：
王琛
学科专业：
测控技术与仪器
学号：
102028125
指导教师：
黄刚（副教授）
完成日期：
2014-6-15
太原工业学院
TaiyuanInstituteofTechnology
诚信申明
本人申明：
本人所提交的毕业设计（论文）《时差法超声采集卡设计》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计（论文）中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并为我在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本设计（论文）和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
2014年6月6日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
时差法超声采集卡设计
系部：
电子工程系专业：
测控技术与仪器学号：
102028125
学生：
王琛指导教师（含职称）：
黄刚（副教授）
1．课题意义及目标
通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识以及在其他方面的学习，设计一款应用于超声无损检测的数字化的四通道时差法超声采集卡。
超声无损检测在现代无损检测领域占有重要的地位。
因此,开发一套优秀的超声检测系统是十分必要的，而超声采集卡是其中重要的一环，所以，本设计要研制出一种时差法超声采集卡，为学生在毕业后从事这方面工作打好基础。
2．主要任务
了解超声检测与时差法超声采集卡研究的工程背景，在国内外的发展现状及趋势，研究有什么意义。
明确实验的基本系统构架，掌握基本原理，明白能实现什么功能有什么应用。
对超声波的部分特性及在介质中传播的了解研究。
设计数字化的超声调理电路，能实现增益数字化程控，实现多路超声信号的发射、接收、同时可以对回波信号进行放大、检波、门控以及峰值保持等处理。
主控芯片选择与学习（使用STM32F103），模数转换学习（使用AD7891-1），时间测量模块学习（使用TDC-GP1），ISA总线，门控模块（NEC82C54），压控模块（TLC5620）。
根据规定写好设计论文。
3．主要参考资料
[1]孟昕元,姚永刚.计算机控制多通道超声检测系统研究[J].无损检测,2006,28（5）：
256-260.
[2]罗雄彪，陈铁群.超声无损检测的发展趋势[J].无损检测，2005，28（3）:
1-5.
[3]刘晴岩,郝以运,张俭等.TOFD技术在薄壁堆焊层裂纹缺陷检测中的应用[J].无损检测，2010，32（5）:
364-366.
[4]李宏凯，基于USB数据采集系统的实现，南京航空航天大学第七届研究生学术会议，2005.
[5]梁宏林，楼淼，刘芳.超声衍射时差法及其与其它检测方法的互补关系[J].无损探伤，2005，29
（2）:
45-47．
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅整理资料
3月03日~3月12日
2
部分修改明确方向
3月13日~3月19日
3
接收调理电路设计
3月20日~4月10日
4
芯片，具体模块学习
4月11日~5月16日
5
书写论文
5月17日~6月17日
时差法超声采集卡设计
摘要
本文结合无损检测的现状，设计一款基于超声无损检测的时差法超声采集卡。
超声波无损检测具有适应范围广、使用方便、对人体无害、使用成本低等独特优点，在现代工业无损检测领域占有重要的地位和得到广泛的应用。
但国内超声检测的仪器或多或少有着价格比较昂贵,系统的开放程度不足,不利于维修或者扩展等问题。
因此,开发一套具有高速数据采集能力和数据分析能力的数字式超声检测系统是十分必要的，而超声采集卡是其中重要的一环，所以，为满足无损检测等工程需要，本课题研制出一种时差法超声采集卡，本采集卡具有数字化，四通道的特点，采集卡中的关键研究方法和结果由以下组成：
模数转换（使用AD7891-1），ISA总线，时间测量模块（使用TDC-GP1），门控模块（NEC82C54），压控模块（TLC5620），芯片（STM32）。
实测表明：
本采集卡能满足透射时差法超声无损检测的要求，并可为其工程应用提供平台。
关键词：
数据采集，超声检测，超声接收调理电路，时间测量
Transit-timeultrasoundacquisitioncarddesign
Abstract
Inthispaper,non-destructivedetectionofthestatusquo,basedonthedesignofatransit-timeultrasonicnondestructiveultrasonictestingcapturecard.UltrasonicNDThastoadapttoawiderangeofeasytouse,harmlesstohumanbody,theuseoftheuniqueadvantagesoflowcost,non-destructivetestinginthefieldofmodernindustryoccupiesanimportantpositionandhasbeenwidelyused.Butdomesticultrasonictestingequipmenthasmoreorlessexpensive,lessopennesssystemisnotconducivetothemaintenanceorexpansionofotherissues.DigitalUltrasonictestingsystemandtherefore,todevelopahigh-speeddataacquisitionanddataanalysiscapabilityisessentialcapabilities,whileultrasoundacquisitioncardisoneoftheimportantpart,soastomeettheneedsofnon-destructivetestingandotherprojects,thisprojectdevelopedAnultrasonictransit-timecapturecard,thecardhasadigitalcollection,featuresfour-channelcapturecardkeyresearchmethodsandresultsfromthefollowingcomponents:
Analog-digitalconversion（usingAD7891-1）,timemeasurementmodule（withtheTDC-GP1）,gatingmodule（NEC82C54）,thevoltagecontrolmodule（TLC5620）,chips（STM32）.Testshowsthat:
Thiscardcansatisfythetransmissionoftransit-timeultrasonicnondestructivetestingrequirements,andprovidesaplatformforengineeringapplications.
Keywords：
Datacollection,testing,ultrasonicreceiverconditioningcircuit,thetimemeasurement
1绪论
1.1超声检测采集背景与意义
无损检测就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态的所有技术手段的总称。
常用的无损检测方法主要有射线照相检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、液体渗透检测（PT）和涡流检测（ET）等。
其中，超声无损检测技术以其探测对象范围广，检测灵敏度高，使用成本低，对人无伤害，并且成像直观，检测深度大，缺陷定位准确，使用方便，检测速度快等优点，具有其他无损检测技术不可替代的特点。
传统的模拟超声检测系统虽然也能基本满足人们的进行超声检测的要求,但它存在许多不足之处,无法满足现在一些科研领域提出的智能化,自动化,数字化等要求,不利于无损检测的进一步发展。
当前超声采集卡现状，功能较单一。
超声接收调理电中存在一些问题：
1、抗噪性能要求高，增益大。
超声回波通常要放大到伏特级，放大千倍左右，即要求放大电路至少有千倍的增益，这样必须通过多级放大来实现。
所以电路设计时，必须充分考虑降噪问题。
2、电路结构复杂，设计难度大。
一个由多级放大电路本身结构就复杂，而在多级放大电路中，还必须考虑放大电路间的匹配问题，特别是阻抗匹配，所以电路在设计时本身难度就较大。
3、自动化程度低，对操作人员的专业知识要求较高。
超声接收调理电路中，有多个部分需要调节，如系统衰减调节部分，噪声抑制调节部分，增益调节部分，一次回波的门前沿、门宽调节部分，二次回波的门前沿、门宽调节部分，门内报警设置部分等，这些部分都需要通过手动式电位器来调节，如果对电路不熟悉，易引起误操作，误设置，调节也很费时、费力。
同时，这些手动式调节也大大影响了检测系统的工作效率。
在传统的脉冲幅值法超声无损检测中，利用超声波的回波幅值及其出现的时间来反映工件中反射体的大小及位置。
该方法由于其结构简单、检测速度快，多年来一直是主要的检测方法。
但由于超声波发射峰值功率有限，使检测距离与分辨率之比受到限制，即要增加检测距离，就要以牺牲分辨率为代价；要提高分辨率，就要以减小检测距离为代价。
因此，脉冲幅值法在工程应用中受到了一定程度限制。
从直观上和原理上分析，时差法与脉冲幅值法相比，应有较好的噪声抑制性。
随着电子信息技术和软件技术的进一步发展,数字式超声波检测系统有着广阔的发展前景,将会在工业检验中得到更广泛的应用。
1.2超声检测采集原理
超声波是一种频率超过20KHZ的特殊声波,同样具有声波传输的基本物理特性:
反射、折射、干涉、散射和衍射,同时具有方向性集中,振幅小等特点.利用超声波进行检测往往迅速、方便,并且容易做到实时控制,精度高,由于其振幅小,不会损伤被检器件,能实现无损检测的目的,同时,由于超声波对人体和环境是无害的,所以超声检测可以广泛应用到各个部门。
同时从直观上和原理上分析，时差法与脉冲幅值法相比，应有较好的噪声抑制性。
超声检测过程涉及的步骤包括超声波的产生、接收、信号转换和处理等。
其中产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给具有压电效应的晶体（比如石英）,使其振动从而产生超声波;而接收反射回来的超声波的时候,这个压电晶体又会受到反射回来的声波的压力而产生电信号并传送给信号处理电路进行一系列的处理,最后形成图像供人们观察判断。
数字式超声波检测系统通常是对被测物体发射超声,然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息。
超声波传播中的衰减特性研究:
超声波在介质中传播时声能随着距离的增加而减少。
衰减因素，超声波在工件中衰减主要由声束反射、散射、扩散和吸收等因素组成。
超声波频率对衰减系数有一定的影响，并可大致认为：
在一定频率范围内，且其他条件不变的情况下，超声波频率增大，衰减系数增大。
介质声速为材料所独有，缺陷可完全认为是与工件声速、衰减系数截然不同的另一种介质。
1.3超声检测采集发展应用前景
70年代微型计算机问世和大规模集成电路的发展,计算机技术开始进入超声波检测领域,但那时只是利用传统检测通过某种接口与微型计算机联机完成某种特定工件的自动检测或对波形进行一些信号处理。
到了80年代,人们开始研究超声回波信号的数字化及有关数据处理，后来在传统模拟器的基础上,利用数字器件的特点,增加了对超声波检测来说极为重要的波形记录、存储和分析等功能,对动态波形进行全程记录。
几十年来,超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用,几乎应用到所有工业部门。
近年来,随着集成电子，计算机及软件技术的迅速发展,实现了超声检测系统的自动检测及智能控制,大大提高了效率,并且减少了人为的误差。
而可编程逻辑器件的迅速发展,使得传统的电路设计发生了很大的变化，在产品的研发过程中,可以将所设计系统的某些功能或整个系统设计成用户定制的专用集成电路，并且计算机以其开放的总线结构为工业控制和测试器提供了硬件和软件平台,能够对数据进行高速的运算和处理。
1.4时差超声检测采集工作
首先给出了论文的课题研究背景及意义,然后回顾了超声无损检测原理、发展历史,介绍了超声无损检测的方法和超声检测的发展和应用。
阐述超声检测系统的基本原理。
研制出一种数字化超声接收调理电路。
将固定增益与程控增益有机结合，既实现了增益数字化程控，又保证了电路柔性；增加了噪声抑制电路，实现多路超声信号的发射、接收、同时对回波信号进行放大、检波、门控以及峰值保持等处理。
本采集卡选用STM32作主控芯片，用ISA总线作采集卡与工控机间的数据交换接口，用1片数模转换器TLC5620产生4路压控信号，用4片可编程定时、计数器NEC82C54产生4路回波的门前沿、门宽控制信号，用1片模数转换器AD7891-1测量4路回波幅值，用4片时间数字转换芯片TDC-GP1测量4路回波时间。
该超声采集卡，可实现回波幅值和回波时间测量，可提供数字化增益程控信号、回波的门前沿、门宽程控信号，可为超声无损检测系统提供一种平台。
2时差法超声采集卡总体设计
2.1课题框图
下图为时差法超声采集卡框图
串口
图2.1时差法超声采集卡框图
本采集选用STM32作主控芯片，用ISA总线作采集卡与工控机间的数据交换接口，用1片数模转换器TLC5620产生4路压控信号，用4片可编程定时、计数器NEC82C54产生4路回波的门前沿、门宽控制信号，用1片模数转换器AD7891-1测量4路回波幅值，用4片时间数字转换芯片TDC-GP1测量4路回波时间，用闪存RAM暂存回波幅值和回波时间。
2.2超声接收调理电路研究设计
2.2.1超声接收调理电路分块设计
超声接收调理电路是超声检测系统的核心部件之一，它直接决定了系统的整体性能。
超声接收调理电中存在一些问题：
1、抗噪性能要求高，增益大。
一方面原始的超声回波信号幅值一般在几毫伏到十几毫伏，频率在几MHz到几十MHz，包含于噪声的幅频特性内。
另一方面超声回波通常要放大到伏特级，放大千倍左右，即要求放大电路至少有千倍的增益，这样必须通过多级放大来实现。
所以电路设计时，必须充分考虑降噪问题。
2、电路结构复杂，设计难度大。
一个由多级放大电路本身结构就复杂，而在多级放大电路中，还必须考虑放大电路间的匹配问题，特别是阻抗匹配，所以电路在设计时本身难度就较大。
3、自动化程度低，对操作人员的专业知识要求较高。
超声接收调理电路中，有多个部分需要调节，如系统衰减调节部分，噪声抑制调节部分，增益调节部分，一次回波的门前沿、门宽调节部分，二次回波的门前沿、门宽调节部分，这些部分都需要通过手动式电位器来调节，如果对电路不熟悉，易引起误操作，误设置，调节也很费时、费力。
同时，这些手动式调节也大大影响了检测系统的工作效率。
因此为了从本质上解决目前超声接收调理电路通过手动式调节电路增益、回波信号的门前沿、门宽，本课题提出一种数字化超声接收调理电路，它采用数字化方式、程控调节电路增益和回波信号的门前沿、门宽。
图2.2数字化超声接受调理电路模块具体框图
图2.2为数字化超声接收调理电路的组成框图，其技术方案可简单概括为：
采用固定增益和程控增益相结合的方式控制电路增益，其中程控增益通过程控压控放大器来实现；通过程控三极管的工作状态，实现回波信号的门前沿、门宽控制。
首先为表达方便，先给出回波信号的门前沿、门宽示意图，如图2.3所示。
门前沿指超声触发信号前沿和出现超声回波信号间的时间差；门宽指出现超声回波信号到本次回波结束间的时间差。
通过门前沿、门宽控制回波，保证AD转换时采样的是有效回波。
图2.3回波信号的门前沿、门宽示意图
图2.4为本课题设计的数字化超声接收调理电路原理图，下面将按照回波信号传输的方向，对该电路的核心模块进行分析、研究。
回波限幅及信号衰减电路,探头的输出信号首先通过了由一对二极管组成的双向限幅电路，该电路将回波钳位在±0.7V左右，一般的超声回波信号幅值处在uv到mV数量级之间，该电路只滤去了和回波信号叠加在一起的高压信号而保留了超声回波信号。
超声回波信号与噪声信号混叠在一起，区分困难，在信号放大之前对原始信号进行衰减，获取较高的信噪比，方便后续处理。
通过对滑动电阻器阻值调节，可以对回波信号进行0～60dB的衰减。
电压跟随模块,将双运算放大器AD8072的A运算放大器，即U1A的1、2脚通过2KΩ电阻RA0连接，即反相端与输出端经保护电阻连接，信号VA由同相端3脚输入，组成典型的电压跟随电路，提高电路的输入阻抗；回波输入信号Vin经电阻RA1和RA3组成的1000／1100串联分压电路，再经二极管DA2、DA1钳位，对串入回波信号中的高压发射信号限幅。
输入衰减模块,将电阻RA4、RA5和电位器WA1组成串联电阻分压电路，当调节WA1的滑动头时，可改变双运算放大器AD8072的B运算放大器，即U1B同相输入端信号的电压值大小。
U1B功能与U1A相同是一个电压跟随电路，所以当调节WA1时，本质上实现输入信号的衰减调节。
该衰减模块的最小衰减值可表示为
（dB）式（2.1）
该衰减模块的最大衰减值可表示为
（dB）式（2.2）
由此可知该衰减模块的衰减调节范围是0～－60dB。
另外由于该模块控制着整个电路的增益，所以它使本数字化超声接收调理电路具有一定的柔性，以便适用于多种超声检测系统。
图2.5回波限幅及信号衰减电路
信号放大电路,在回波限幅与衰减电路之后，两级电路之间通过一个电压跟随器进行阻抗匹配。
压控放大模块,将压控放大器AD603设计成0～40dB的工作模式，该模式下AD603的增益G603可表示为
式（2.3）
式中：
△V为两个压控信号之差，范围为±0.5V，即增益G603的范围为0～40dB。
在AD603的两个压控信号中，一个由1KΩ的电位器WB1通过串联电阻分压形式提供1.5V的直流电压，另一个由外部提供，即VC1，范围为1.0V～2.0V。
于是可发现在该压控放大模块中，AD603的增益仅受控于VC1，而VC1是一个可程控信号，从而通过VC1实现本数字化超声接收调理电路的整体增益的自动控制。
反相放大模块,由双运算放大器AD8072的两个单运算放大器U3A、U3B组成2个典型的反相比例运算放大电路，其增益G3A和G3B可分别可表示为
式（2.4）
式（2.5）
噪声抑制模块,将电阻RT1和电位器WT1组成串联电阻分压电路，调节WT1可改变二极管DT1导通电压值；如果电路中的噪声偏大，调节WT1使DT1导通电压值增大，抑制噪声；如果电路中的噪声小，调节WT1使DT1导通电压值减小，保留回波信号。
图2.6信号放大电路
检波电路,检波电路由2组检波二极管和低通滤波器组组成，2组检波电路同时对回波信号进行正向检波和反向检波，最后通过电路叠加输出。
差动放大模块：
由双运算放大器AD8072的运算放大器U4B组成的差动运算放大电路，其增益G4B可表示为
式（2.6）
式中：
当输入信号为正电压时，G4B=＋2.2，当输入信号为负电压时，G4B=－2.2。
在该模块电路中，当信号幅值大于0.6V时，单向二极管DD1导通，信号经电阻RD5输入同相端；而单向二极管DD2截止，同时反相端通过10KΩ电阻RD4接地。
所以输入的差动信号等于VC－0.6，则G4B=＋2.2。
在该模块电路中，当信号幅值小于0.6V时，单向二极管DD2导通，信号经电阻RD7输入反相端；而单向二极管DD1截止，同时同相端通过10KΩ电阻RD3接地。
所以输入的差动信号等于－VC－0.6，则G4B=－2.2。
由此可见，该差动放大电路可称作绝对值差动放大电路，同时为了便于表达，如果忽略去0.6V的二极管导通压降和增益的正负号，可将G4B的大小统一为G4B=2.2。
同相放大模块,由单运算放大器AD844，即U5组成典型的同相比例运算放大电路，该同相放大模块的增益G5可表示为
式（2.7）
单稳态触发模块,将电阻RM1、电位器ZMQ1和电容CM1组成的RC电路，控制双路单稳态多谐振荡器HEF4538的时间控制输入引脚CA和RA，用下降沿有效的外部触发控制信号CF控制HEF4538的单稳态触发控制输入引脚
，实现第一路单稳态触发。
在该A单稳态触发电路中，单稳态触发输出QA保持高电平的时间TA可表示为
式（2.8）
式中：
当电路确定后，唯有ZMQ1为变量。
将ZMQ1、RM1和CM1的值代入式（3.8），可知TA的最大值Tamix和TA的最小值Tamin分别为
（us）式（2.9）
（us）式（2.10）
同理将电阻RM2、电位器ZMK1和电容CM2组成的RC电路，控制HEF4538的时间控制输入引脚CB和RB，用第一路的单稳态触发输出QA控制第二路触发控制的单稳态触发控制输入引脚
，实现第二路单稳态触发；将第二路单稳态触发的输出
，控制三极管Q2的工作状态。
在该B单稳态触发电路中，单稳态触发输出
保持低电平的时间TB可表示为
式（2.11）
式中：
当电路确定后，唯有ZMK1为变量。
将ZMK1、RM2和CM2的值代入式（2.11）中，于是可得到TB的最大值TBmax和TB的最小值TBmin分别为
（us）式（2.12）
（us）式（2.13）
由此可见，通过调节ZMQ1、ZMK1，可分别改变第一路单稳态触发器A、第二路单稳态触器B，触发时QA保持高电平和
保持低电平的时间。
同时要保证QA保持高电平和
保持低电平时间的稳定性，就必须要求ZMQ1、RM1、ZMK1、RM2阻值，CM1、CM2容值的稳定性。
通过实验选用商业级的电阻ZMQ1、RM1、ZMK1、RM2，工业级的CBB电容CM1、CM2可使QA保持高电平和
保持低电平时间达到±0.5μs的误差，可满足一般工业无损检测系统的要求。
门选及峰值保持电路,在检波电路之后，对回波信号进行门选和峰值保持，门选电路用以去除回波中的干扰信号，峰值保持电路则将滤去干扰后的回波信号的最大幅度值予以保存，方便后续电路进行采集。
回波一次门前沿、门宽控制模块,当三极管Q2导通时，回波信号禁止从三极管Q1传输到三极管Q3；当Q2截止时，回波信号允许从Q1传输到Q3；Q2导通或截止由HEF4538的第二路单稳态触发器的输出
控制，调节ZMQ1、ZMK1，可分别改变回波信号一次门前沿、门宽控制。
通过回波信号一次
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