桂 婧

（廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院電氣工程系 廣東 廣州 510663）

0 引言

自動(dòng)化超聲波檢測(cè)系統(tǒng)通常包括超聲波探傷儀器（一般均采用多通道以提高檢測(cè)效率）、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、記錄裝置三大基本部分，本文就其中的超聲探傷儀部分的高速通信接口技術(shù)進(jìn)行研究。

1 整機(jī)架構(gòu)圖與功能分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，本系統(tǒng)采用8通道檢測(cè)單元，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 多通道超聲探傷系統(tǒng)架構(gòu)圖

整機(jī)系統(tǒng)由五個(gè)功能模塊組成：

1.1 超聲探頭：為了更加全面的對(duì)被

檢工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要從多個(gè)角度觀察，采用多角度的探頭組合，包括45度、63度、70度斜探頭各2個(gè)，0度雙晶1個(gè)。

1.2 收發(fā)模塊

①發(fā)射采用非諧振式電路，平衡穿透力與分辨力；

②接收電路采用預(yù)放、濾波、主放大這樣一個(gè)流程；

③采用低噪聲高增益放大器件，增益調(diào)節(jié)范圍可達(dá)114dB；

④硬件濾波電路，頻帶范圍有0.5—20m、1—6m、3—25m三種可選；

1.3 數(shù)字信號(hào)處理與收發(fā)控制模塊

①負(fù)責(zé)接收ADC送過(guò)來(lái)的射頻數(shù)字信號(hào)流，經(jīng)檢波、抽取，然后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口送給PC模塊；

②根據(jù)需要，可以實(shí)現(xiàn)全波、+/-半波檢波；

③不同的探測(cè)深度，固定的屏幕顯示分辨率；

④為了避免缺陷漏判，考慮峰值保持，如此壓縮過(guò)程就是一個(gè)非均勻的處理；

1.4 PC 模塊；

1.5 電源模塊。

2 千兆以太網(wǎng)的嵌入式解決方案概述

2.1 千兆以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，千兆以太網(wǎng)技術(shù)繼承了以往以太網(wǎng)技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有諸多新特性，例如傳輸介質(zhì)包括光纖和銅纜，使用8B/10B的編解碼方案，采用載波擴(kuò)展和分組突發(fā)技術(shù)等。正是因?yàn)榫哂辛己玫睦^承性和許多優(yōu)秀的新特性，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)成為目前局域網(wǎng)的主流解決方案[1]。

2.2 整體設(shè)計(jì)方案

一個(gè)完整的以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是包括用戶應(yīng)用程序（Ap-plication）、以太網(wǎng)通信協(xié)議棧（TCP/IP Stack）、以太網(wǎng)控制器（Ethernet LAN Controller）和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（Ethernet）四個(gè)部分[2]，該以太網(wǎng)控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)分為MAC模塊、主機(jī)接口模塊和管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。其中MAC模塊主要執(zhí)行在全雙工模式下的流量控制，MAC模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收功能。管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3介質(zhì)獨(dú)立接口，可用于連接以太網(wǎng)的鏈路層和物理層。主機(jī)接口則提供以太網(wǎng)控制器與上層協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）之間的接口用于數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及對(duì)控制器內(nèi)各種寄存器的設(shè)置。

圖2 基于FPGA的千兆網(wǎng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

由于科技水平的發(fā)展，高性能多通道超聲無(wú)損探傷儀需要在工作時(shí)將實(shí)時(shí)采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)進(jìn)行圖像的處理，然而隨著實(shí)時(shí)成像要求的不斷提高和圖像質(zhì)量的不斷改善，要求的數(shù)據(jù)傳輸速率呈現(xiàn)出幾何級(jí)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí)，在采集傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中要求數(shù)據(jù)的完整性和正確性是非常重要的，少量的數(shù)據(jù)丟失都可能無(wú)法生成正確的圖像，給最終的物體探傷檢測(cè)判斷造成影響。所以，如何保證數(shù)據(jù)高速可靠的傳輸，成為超聲探傷儀設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的問(wèn)題。

本系統(tǒng)中，圖像顯示存儲(chǔ)與操作控制均在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，受機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制，要求PC機(jī)與超聲檢測(cè)單元相距至少6m；大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速度要求達(dá)到10MB/s。

當(dāng)今可用于工業(yè)環(huán)境的高速通信接口包括：PCI、PCI-E、USB3.0、藍(lán)牙2.0、WIFI和有線網(wǎng)絡(luò)等。但受6m距離的限制，PCI、PCI-E、USB3.0三種接口不可用；藍(lán)牙2.0的實(shí)際穩(wěn)定速度建議為10kB/s，不滿足速度要求；WIFI理論速度13.5MB/s，速度達(dá)到要求，但由于工業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，在準(zhǔn)確性穩(wěn)定性方面存在一定的不確定性；而有線網(wǎng)絡(luò)，尤其是千兆網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP協(xié)議速度可以達(dá)到18MB/s，且穩(wěn)定可靠，是一個(gè)理想的選擇。

4 總結(jié)

隨著SOPC、嵌入式操作系統(tǒng)以及嵌入式千兆以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為超聲探傷儀的數(shù)據(jù)傳輸，提供了高效廉價(jià)的嵌入式千兆以太網(wǎng)解決方案。嵌入式千兆以太網(wǎng)使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得到保證，同時(shí)千兆以太網(wǎng)采用的傳輸介質(zhì)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，并且由于采用了通用性強(qiáng)的基于網(wǎng)絡(luò)SOCKET編程的TCP／IP協(xié)議，有著很強(qiáng)的通用性和移植性。

［1］張旭輝，馬宏偉.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).現(xiàn)狀·趨勢(shì)·戰(zhàn)略，2002:24－26.

［2］Altera Corp.Accelerating Nios II Networking Applications，2009.

［3］Marvell Semiconductor,Inc.88E1111 Datasheet：Integrated 10/100/1000 Ultra Gigabit Ethernet Transceiver，2004.

［4］W.Richard Stevens.TCP/IP 詳解（卷 1：協(xié)議）.范建華，等，譯.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.