（3）过采样技术：
以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称之为过采样技术，采用过采样技术会带来两个好处。
首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计要求；其次，过采样技术可提高信噪比。
（4）并行ADC、DAC技术：
软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近射频端。
高频宽带信号的数字化对采样频率、位数及动态范围都提出了较高要求，这时可采用并行A/D转换技术，其基本原理如图3所示。
这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。
数字输出
图3并行A/D技术原理框图
4．2高速A/D数据采集
4．2．1采样频率和缓冲容量的确定
本课题是针对超声波工业检测设备而开发的高速数据采集技术，因此，检测对象基本上为钢体材料。
超声波在钢中传播时，纵波CL的传播速度为5900米/秒，横波CS的传播速度为3230米/秒，可见，超声波在钢中的传播速度很快。
因此，对于一定厚度的工件进行检测时，超声波在工件中的传播时间很短，尤其对于薄壁材料检测，传播距离更短。
从以下超声波检测的基本方法可以计算出超声波的传播时间，确定检测频率和缓冲的容量要求。
4．2．2超声波传播时间的计算
超声波在钢中的传播速度、距离和时间的关系公式为：
D=C·T
式中：
D表示声程（距离）
C表示声速
T表示传播时间
如果采用反射法直探头进行检测（如图4），在其探测范围内的传播时间：
T=2H/C
式中：
H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
图4反射法直探头进行检测
如果采用反射法斜探头进行检测（如图5，6），则要考虑入射角和几次声程的影响。
采用一次声程探伤，在其探测范围内的传播时间：
T=2H/（cosφ·C）
式中：
H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
φ表示探头入射角
图5反射法斜探头进行检测（一次声程）
采用二次声程探伤，在其探测范围内的传播时间：
T=4H/（cosφ·C）
式中：
H表示工件厚度
C表示声速
T表示传播时间
φ表示探头入射角
图6反射法斜探头进行检测（二次声程）
4．2．3采样频率的确定
从以上的超声波传播时间可以看出，对于钢质材料的超声波检测，由于超声波在钢中传播时间很短，因此，一般需采用较高的检测频率。
尤其对于薄壁材料的检测，为了得到足够的分辨率，采用高的检测频率就更为重要。
这就要求有足够的采样频率才能满足信号采集的要求。
如对于1mm厚的材料进行检测，由于超声波在其中的传播时间仅为0.339μs，要达到10%（0.1mm）的检测精度，必须要能分辨0.0339μs的信号周期，不至于信号重叠而无法分辨。
这就要求检测频率至少大于29.5MHZ（1/0.0339μs）的检测频率fM。
因此，对于采样频率FN至少满足内奎斯特（Nyquist）频率，即满足条件：
FN>2fM，也就是采样频率至少达到60MHZ以上。
对于整个系统的设计检测频率上限40MHZ，采样频率必须在80MHZ以上。
为了提高信噪比和检测精度，我们选择了大于Nyquist采样率的过采样技术。
确定了整个系统的采样速率必须达到100MHZ以上。
当然，整个系统为了满足不同检测要求的需要，采样速率是可以调整的，在检测频率不是很高时，可以降低采样速率，以减小缓冲容量的要求。
4．2．4缓存器容量的确定
由于整个系统的采样速率较高，要对信号数据进行保存，就需要使用高速缓存器，缓存器的容量应该把探测范围内的时域信号得以保存。
我们选用了64K容量的缓存器。
在200MHZ采样速率的情况下，64K缓存器可存储的时域信号的时间长度为：
T=64K/（200MHZ/S）=320μs
这种采样频率一般用于检测频率较高的检测信号的采集，用高检测频率检测薄壁材料时，往往采用纵波入射和45度斜探头一次声程的横波入射方式，在同样厚度的工件中横波入射方式检测的时域信号时间长度较长，因此该容量的缓存器可适应的最大厚度的工件厚度为：
H=（320μs·3230m/s·cos45）/2=365mm
对于薄壁材料远小于该厚度值，因此所设计的缓存器容量是足够的。
而对于壁厚较厚的工件，一般采用1--5MHZ的检测频率，采用30MHZ的采样频率足以满足信号数据采样的要求，这时64K缓存器可存储的时域信号的时间长度为：
T=64K/（30MHZ/S）=2133μs
即使使用70度斜探头二次声程的横波入射方式，该容量的缓存器可适应的最大工件厚度为：
H=（2133μs·3230m/s·cos70）/4=589mm
它也能适应压力容器等工业检测的需要，比较重要的核电站反应堆压力容器的壁厚只有在250mm左右。
4．3A/D采集卡的设计和开发
为了满足对超声波宽频带高速率的信号进行采集的要求，设计了一种基于并行直接转换原理的flashA/D转换器的高速8位分辨率的数据采集卡。
该采集卡的主要性能指标是：
（1）最大采样率为200MHz；
（2）数据分辨率为8位；
（3）数据缓存容量为64k*16位；
（4）模拟输入带宽>70MHZ；
（5）输入路数：
4路
（6）转换触发方式：
可编程为定时触发、指令触发、外源触发
（7）数据传输速率：
25MBytes/S
采集卡设计成计算机扩展槽的插板形式，不需外接电源，其各种状态可通过主机进行编程控制，便于用户使用。
4．4高速数据缓存器
数据的缓存使用了两片高速FIFO，在将采集得到的数据写入其中一片时，后续模块同时对另一片中的数据进行处理。
对FIFO进行对写是在时序控制模块的控制下进行的，但数据的读出由用户自己的后续模块自己进行，并提供相应的控制信号。
FIFO缓存器由于其先进先出的特性，数据的读写都无需提供地址信号，简化了电路的设计，提高了数据的吞吐率。
该FIFO的最高运行速率是100MHz，这完全满足系统的要求。
5．超声波检测数据的传输和记录
5．1系统简介
由于本系统采集速率较高，因此对于传输的速率要求相对也比较高。
由于ISA总线制定的时间较早，不可避免地带有一些局限性，例如数据宽度仅为16位、总线同步时钟也只有8MHZ等。
而目前CPU的数据宽度和工作频率都有了很大的提高，同时面向图形的操作系统的引入，使标准的PCI/O结构中的处理器和它的显示外设之间产生了数据瓶颈，ISA总线已经不能满足系统要求。
但如果将外设的功能在与系统处理器总线同样宽的高宽带总线上实现，这个瓶颈就可以消除，因此引入了高宽带总线，通常称为“局部总线”。
在多种局部总线中，VESA总线和PCI总线是比较具有代表性的两种。
在本项课题数字式超声波成像系统中应用PCI总线作高速数据采集和传输。
整个系统的硬件由两个部分组成：
主处理机（PC）和信号发射/接收前端组成，如图7所示：
图7系统基本框图
图中灰色部分的接口卡就是本课题要研究的对象：
PCI总线接口卡。
它起的作用是发射/接收前端与主处理机之间的桥梁。
在发射/接收前端，高速采样后的接收信号在A/D转换后，经由连接电缆送到接口卡，再由接口卡通过PCI总线传送到主处理机内存中指定的数据接收区。
5．2PCI总线的特点
PCI总线即外设部件互连，是一种新型的、同步的、高宽带的、独立于处理器的总线。
其所以能在各类总线中脱颖而出，是因为其具有以下特点：
⑴传输速度快。
最高工作频率33MHZ，峰值吞吐率在32位时为132MB/S，64位时为264MB/S。
⑵支持无限猝发读写方式。
读写时后面可跟无数个数据周期，具有强大的数据猝发传输能力。
⑶支持并行工作方式。
PCI控制器具有多级缓冲，利用它可使PCI总线上外设与CPU并行工作。
例如CPU输出数据时，先将数据快速送到缓冲器中，当这些数据不断送往设备时，CPU就可转而执行其他工作了。
⑷独立于处理器。
PCI在CPU和外设间插入一个复杂的管理层用以协调数据传输，通常称之为桥。
桥的主要功能是在两种不同的信号环境之间进行转换，并向系统中所有的主控制器提供一致的总线接口。
因此PCI总线可支持多种系列的处理器，并为处理器升级创造了条件。
⑸提供4种规格，可定义32位/64位以及5V/3.3V电压信号。
3.3V电压信号环境的定义为PCI总线进入便携机领域提供了便利。
⑹数据线和地址线采用了多路复用结构，减少了针脚数。
一般而言，32位字长、仅作目标设备的接口只需47条引脚，作为总线控制者的设备接口再加2条引脚，并可有选择地增加信号线以扩展功能，如64位字长的接口卡需加39条引脚，资源锁定加1条引脚，等等。
⑺支持即插即用功能，能实现自动配置。
在PCI器件上包含有寄存器，上面带有配置所需的器件信息，使外设适配器在和系统连接时能自动进行配置，无须人工干预。
5．3硬件结构
这里对接口卡的硬件结构作一简要描述。
本接口卡的结构由图8所示：
16位
FIFO
输入
连接PCI总线
缓
冲
PCI总线
接口芯片
图8接口卡的结构
从连接电缆输入的16位宽的数据经信号缓冲后暂存在FIFO中，然后被PCI总线接口芯片读出并通过PCI总线送到主处理机内存中指定的数据接收区。
5．3．1PCI总线接口芯片结构
PCI总线接口芯片是用FPGA来实现的。
其上除了完成与PCI总线接口所必须的PCI总线配置寄存器之外，还具有一些用户可编程的控制寄存器。
用户通过对这些控制寄存器编程，就可使PCI总线接口芯片自动向系统申请占用总线，从FIFO中读出数据并传送到系统内存中指定的数据接收区中。
芯片内部由两个模块组成：
PCI接口模块和FIFO接口模块。
PCI接口模块负责与PCI总线端相接的逻辑。
FIFO接口模块负责与FIFO端相接的逻辑。
如图9所示：
PCI总线接口芯片
FIFO接口信号
PCI总线信号
图9PCI接口模块和FIFO接口模块图
5．3．2PCI接口模块
PCI接口模块除了实现PCI总线配置寄存器以外，还起到FIFO接口模块与PCI总线之间的转接作用。
一方面，来自PCI总线上的对FIFO接口模块中控制寄存器的读写要经PCI接口模块才能转换为可以被FIFO接口模块接收的读写信号；另一方面，FIFO接口模块从FIFO中读取的数据需要经过PCI接口模块才能转换为PCI总线上的相应信号被系统接收。
。
5．3．3FIFO接口模块
FIFO接口模块的功能是控制从FIFO读出数据，然后通过PCI接口模块向总线发出申请，得到许可后开始向系统内存指定的数据接收区传送数据。
FIFO接口模块中还实现了可编程的控制寄存器，可使软件对数据传送进行控制。
5．4软件接口
本接口卡的软件接口包括两个部分：
与PCI系统相关的软件接口及与用户应用相关的软件接口。
与PCI系统相关的软件接口是PCI总线配置寄存器，包括本接口卡的生产厂商所指定的设备标志号、修订版本号以及PCISIG所分配的厂商标志号寄存器，还有状态寄存器、命令寄存器以及基地址寄存器等等。
与用户应用相关的软件接口是与本接口卡实现的特定功能相关的寄存器，包括两组与数据传送有关的起始地址寄存器和结束地址寄存器，还有命令寄存器和状态寄存器。
对与用户应用相关的寄存器的操作都应以32位的方式进行。
若以8位或16位的方式操作，将产生不可预知的结果。
在内存以字节（8位）为单位进行寻址的情况下，在进行16位或32位的操作时认为字节排列顺序如下：
高位字节在地址较大的字节上，低位字节在地址较小的字节上，
在各个寄存器中，有些寄存器是只读的，有些寄存器是可读可写的，还有一些寄存器是可读可清除的。
以上这些属性在以后对每个寄存器的说明中将分别以只读、读/写、读/清的字样标出。
对于只读和可读可写属性应该是见词明义，这里就不多作说明。
对于可读可清除属性，在这里有必要说明一下。
对可读可清除的寄存器作读操作时，与一般的读操作无异。
在写操作时，那些写入1的位会被清0，那些写入0的位则不受影响。
具体来说，当某个具有可读可清除属性的字节内容为01010101时，若对该字节读，则读出的内容为01010101。
若对该字节写入00001111时，该字节的低4位被清0，内容改变为01010000。
6.结论
1．从调试结果和研制结果来看，超声波信号采集、分析和成像处理系统的整体设计方案是正确的，整套系统可以满足频率范围从1MHZ到40MHZ超声波检测采集和分析的需要，同时可以调整采样速率，适应不同检测频率的记录要求。
2．该课题采用全数字式超声波信号显示和处理方式，可以为超声波检测的分析提供必要的数据，对检测结果更为准确和直观。
可以更为精确地对缺陷进行定位和定量。
同时，为超声波检测设备的开发提供了良好的开发手段。
对提高我国的超声波检测设备的开发水平具有积极意义。
3．该课题中采用的PCI实时技术解决了高速大容量现场检测数据的存储和传输，为其他有关项目的开发提供了方案。
4．课题中应用的关键硬件FPGA和PLD器件可以较强地适用于科研开发和调试，同时具有一定的保密性，对知识产权的保护提供了方案。
并且，可以大大缩小硬件的体积。
5．课题中采用的谱估计方法进行信号处理，可以从噪声中提取回波信息，可以降低硬件的开发难度。
整个系统的开发成功对于提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶具有重要的意义。
参考文献
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[2]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会组织编写，《超声波探伤》，劳动人事出版社，1995年
[3]尚利安迪生刘晖等著，《PCI系统结构》，电子工业出版社，2000年
[4]刘贵山等著，《PCI局部总线开发指南》，西电科大出版社，2000年
[5]李大友等著，《微型计算机接口技术》，清华大学出版社，2000年
[6]邵时等著，《微机接口技术》，清华大学出版社，2000年
[7]黄正瑾等著，《在系统编程技术及其应用》，东南大学出版社，1999年
[8]蒋璇等著，《数字系统设计与PLD应用技术》，电子工业出版社，2001年
[9]苏涛等著，《高性能数字信号处理与高速实时信号处理》，西电科大出版社，2000年
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