大功率超声检测信号收发一体化系统设计
摘 要超声波无损检测技术在快速向前发展。一方面，基础设施的大规模兴建要求有先进的无损检测技术来对建筑的安全性进行合理评估；另一方面，微电子与计算机技术的快速发展为超声检测手段的升级与改进提供了条件。在这一背景下，本文以混凝土超声波检测技术中的信号激发与采集部分为核心内容进行研究，以前沿电子技术为支撑设计高性能的超声波信号收发系统。设计了以FPGA为主控制器、内部嵌入MicroBlaze软核处理器的控制方案，将可编程片上系统的灵活性应用于超声信号收发系统。该方案兼有FPGA并行处理和MCU时序控制的优点，并且在成本、体积方面均有很大优势。硬件上设计了大功率的双极信号激发源，和宽带低噪声的信号调理电路与高速模数转换电路，以LCD和串口通信实现了数据的实时显示和存储功能，同时电路中设计了限压保护模块。软件上实现了以HDL语言编写硬件逻辑和以C语言驱动软核处理器的方案，并将两种文件综合到同一个工程中，同时以C#语言实现了上位机的数据接收和存储功能。通过实际测试，本课题设计的信号收发系统各项参数完全符合设计指标，能够完成大功率超声波信号激发和超声波信号调理、转换、采集的功能，可以在混凝土超声检测实验中进行实际使用。本课题在实施过程中尝试了多种方案，在相关电路的设计方面积累了很多数据和经验，为课题的进一步研究打下基础。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究进展 2
1.3 主要研究内容 4
第2章 基本原理及整体方案介绍 5
2.1 混凝土超声波检测原理 5
2.2 现场可编程门阵列与嵌入式软核处理器 6
2.3 整体方案设计 8
第3章 系统硬件平台设计 11
3.1 硬件整体方案设计 11
3.2 大功率信号源 12
3.2.1 单极脉冲信号源 12
3.2.2 双极脉冲信号源 15
3.2.3 方案选择 19
3.3 高速数据采集模块 19
3.3.1 隔离限压电路设计 20
3.3.2 电压跟随器设计 22<
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br /> 3.3.3 程控放大模块设计 23
3.3.4 直流偏置电路设计 26
3.3.5 ADC模块设计 28
3.4 数据处理模块 30
3.4.1 LCD模块 30
3.4.2 串口通信模块 31
3.5 处理器——FPGA 32
3.6 电源模块 32
第4章 系统软件设计 35
4.1 软件整体方案设计 35
4.1.1 EDA工具及程序文件 35
4.1.2 嵌入式FPGA开发流程 36
4.2 MicroBlaze软核及外设IP核设计 37
4.2.1 MicroBlaze软核处理器设计 37
4.2.2 LCDIP设计 39
4.2.3 ADCIP设计 41
4.3 信号源触发信号 44
4.4 程控放大模块控制信号 45
4.5 上位机 46
第5章 系统联合调试及超声信号收发实验 49
第6章 总结与展望 53
6.1 本课题的工作总结 53
6.2 研究工作展望 53
参考文献 55
致谢 59
附录 60
一、部分模块原理图与PCB 60
二、实验图片 62
三、攻读学士学位期间主要工作与成果 65
第1章 绪论
超声波检测技术是一种重要的无损检测手段，因其设备简单、易于操作、精度高等优点而被广泛采用。近年来，超声波无损检测技术得到了快速的发展，但是随着微电子与计算机技术的飞速进步，超声检测技术还有很大的提高空间。因此，本文在前人的研究基础上对超声波检测技术进行探索，尤其是在信号激发与采集的硬件电路开发方面进行深入研究，以望在先进的电子技术支持下使超声检测手段得到进一步的提高。
1.1 课题的研究背景与意义
随着我国在基础设施方面的投资不断增加，以混凝土材料为基础的桥梁、公路、大坝等建筑逐渐增多，为保证安全而必须采取的缺陷检测手段变得越来越重要，这也促进了超声波检测技术应用于混凝土领域的快速发展。
混凝土建筑由于施工不当、保养不力或者时间长久而造成内部出现诸如空洞、裂缝、离析、钢筋锈蚀等缺陷，这些缺陷的存在影响到整个建筑的承载能力和使用寿命，甚至引发安全事故，带来不必要的损失。超声波检测技术可以在不破坏建筑物的情况下探测内部的缺陷信息。该技术利用混凝土内部声波传播时的声速、声强、频率等信息来得到混凝土本身的强度和缺陷参数，具有简单、易于实施的优点[1]。但是，由于混凝土材料内部对超声波衰减较大，并且漫反射等较为严重，往往从混凝土中提取的超声波信号很微弱，且带有较大的噪声，这就使得提高信号的识别能力变得很有意义[2]。在目前的研究中，提高超声波的激发强度和设计高增益、低噪声的运放电路是主要的解决手段。
另一方面，随着微电子和计算机技术的飞速发展，一些高性能的数据采集和处理方案随之诞生[3]。近年来，新型的高带宽、低噪声的运算放大器和高速模数转换器在微弱信号检测方面发挥了巨大的作用，在功耗和体积方面也均有优化。以FPGA为代表的可编程逻辑器件的快速发展使得高速信号采集和处理方案得到解决，一些新的电路架构为超声信号处理提供了高效的方案[4]，嵌入式软核处理器的使用弥补了FPGA在顺序指令执行方面的不足，让整个系统更加精简和高效[5]。上述技术的进步使得器件具有强大的数据处理能力，为超声检测手段的进一步提高提供了条件。
前面已经介绍过，电子技术的发展为微弱信号检测和高速数据采集与处理提供了更加高效的解决方案，数据的传输与存储也越来越方便。这些高新电子技术为高性能超声探伤设备的研发与升级提供了充分的保障。因此，本课题以混凝土超声检测技术为研究方向，探究在前沿电子技术支持下，超声波信号激发与采集系统软硬件的研制。
1.2 国内外研究进展
超声检测方法按照接收超声波的位置不同可以分为两类：透射法和反射法。这两种方法均得到了大量的研究。例如，在反射法方面，Y.Akkaya等学者通过监测超声波横波在硬化混凝土中的反射系数来对混凝土强度的变化给出评估[6]。还有些研究通过分析超声波在混凝土材料中发生反射时参数的变化情况，例如声波的相位跳跃等信息判断缺陷的位置[7]。这些研究在一定程度上得出了较为合理的分析结果。在透射法的研究上，国内学者将超声波透射检测法应用于预应力T梁的压浆质量研究，并利用人工神经网络和支持向量机等技术对数据进行处理，实验结果表明该方法能够预测梁体内部的缺陷[8, 9]。还有些研究通过超声波在钢管混凝土模型中的传播实验，对接收到的声波的时间差、相位变化和幅度衰减等参数进行比较，以此为依据评估混凝土的密实度[10]。国外的一些学者通过透射法测量混凝土中的超声波声速，并利用多重回归分析和人工神经网络算法进行数据分析，计算出混凝土的抗压强度[11]。另外还有些研究超声波在混凝土与大理石中的传播状况，并得出混凝土的弹性模量、损伤及强度等相关信息[12]。上述这些实验和研究将超声波检测方法应用到新的材料和结构中，并且辅助新的数据处理算法，在一定程度上推动了超声检测技术的进步。
经过几十年的发展，混凝土的超声检测技术已经渐趋成熟。在检测范围上，从最初的一般结构检测发展到多种材料和结构检测，并且检测范围覆盖地上和地下，检测的参数也包含强度、厚度、孔洞、裂缝、损伤层等[13]。并且很多技术已经在桥梁、公路的工程中得到实际应用[1315]。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究进展 2
1.3 主要研究内容 4
第2章 基本原理及整体方案介绍 5
2.1 混凝土超声波检测原理 5
2.2 现场可编程门阵列与嵌入式软核处理器 6
2.3 整体方案设计 8
第3章 系统硬件平台设计 11
3.1 硬件整体方案设计 11
3.2 大功率信号源 12
3.2.1 单极脉冲信号源 12
3.2.2 双极脉冲信号源 15
3.2.3 方案选择 19
3.3 高速数据采集模块 19
3.3.1 隔离限压电路设计 20
3.3.2 电压跟随器设计 22<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
br /> 3.3.3 程控放大模块设计 23
3.3.4 直流偏置电路设计 26
3.3.5 ADC模块设计 28
3.4 数据处理模块 30
3.4.1 LCD模块 30
3.4.2 串口通信模块 31
3.5 处理器——FPGA 32
3.6 电源模块 32
第4章 系统软件设计 35
4.1 软件整体方案设计 35
4.1.1 EDA工具及程序文件 35
4.1.2 嵌入式FPGA开发流程 36
4.2 MicroBlaze软核及外设IP核设计 37
4.2.1 MicroBlaze软核处理器设计 37
4.2.2 LCDIP设计 39
4.2.3 ADCIP设计 41
4.3 信号源触发信号 44
4.4 程控放大模块控制信号 45
4.5 上位机 46
第5章 系统联合调试及超声信号收发实验 49
第6章 总结与展望 53
6.1 本课题的工作总结 53
6.2 研究工作展望 53
参考文献 55
致谢 59
附录 60
一、部分模块原理图与PCB 60
二、实验图片 62
三、攻读学士学位期间主要工作与成果 65
第1章 绪论
超声波检测技术是一种重要的无损检测手段，因其设备简单、易于操作、精度高等优点而被广泛采用。近年来，超声波无损检测技术得到了快速的发展，但是随着微电子与计算机技术的飞速进步，超声检测技术还有很大的提高空间。因此，本文在前人的研究基础上对超声波检测技术进行探索，尤其是在信号激发与采集的硬件电路开发方面进行深入研究，以望在先进的电子技术支持下使超声检测手段得到进一步的提高。
1.1 课题的研究背景与意义
随着我国在基础设施方面的投资不断增加，以混凝土材料为基础的桥梁、公路、大坝等建筑逐渐增多，为保证安全而必须采取的缺陷检测手段变得越来越重要，这也促进了超声波检测技术应用于混凝土领域的快速发展。
混凝土建筑由于施工不当、保养不力或者时间长久而造成内部出现诸如空洞、裂缝、离析、钢筋锈蚀等缺陷，这些缺陷的存在影响到整个建筑的承载能力和使用寿命，甚至引发安全事故，带来不必要的损失。超声波检测技术可以在不破坏建筑物的情况下探测内部的缺陷信息。该技术利用混凝土内部声波传播时的声速、声强、频率等信息来得到混凝土本身的强度和缺陷参数，具有简单、易于实施的优点[1]。但是，由于混凝土材料内部对超声波衰减较大，并且漫反射等较为严重，往往从混凝土中提取的超声波信号很微弱，且带有较大的噪声，这就使得提高信号的识别能力变得很有意义[2]。在目前的研究中，提高超声波的激发强度和设计高增益、低噪声的运放电路是主要的解决手段。
另一方面，随着微电子和计算机技术的飞速发展，一些高性能的数据采集和处理方案随之诞生[3]。近年来，新型的高带宽、低噪声的运算放大器和高速模数转换器在微弱信号检测方面发挥了巨大的作用，在功耗和体积方面也均有优化。以FPGA为代表的可编程逻辑器件的快速发展使得高速信号采集和处理方案得到解决，一些新的电路架构为超声信号处理提供了高效的方案[4]，嵌入式软核处理器的使用弥补了FPGA在顺序指令执行方面的不足，让整个系统更加精简和高效[5]。上述技术的进步使得器件具有强大的数据处理能力，为超声检测手段的进一步提高提供了条件。
前面已经介绍过，电子技术的发展为微弱信号检测和高速数据采集与处理提供了更加高效的解决方案，数据的传输与存储也越来越方便。这些高新电子技术为高性能超声探伤设备的研发与升级提供了充分的保障。因此，本课题以混凝土超声检测技术为研究方向，探究在前沿电子技术支持下，超声波信号激发与采集系统软硬件的研制。
1.2 国内外研究进展
超声检测方法按照接收超声波的位置不同可以分为两类：透射法和反射法。这两种方法均得到了大量的研究。例如，在反射法方面，Y.Akkaya等学者通过监测超声波横波在硬化混凝土中的反射系数来对混凝土强度的变化给出评估[6]。还有些研究通过分析超声波在混凝土材料中发生反射时参数的变化情况，例如声波的相位跳跃等信息判断缺陷的位置[7]。这些研究在一定程度上得出了较为合理的分析结果。在透射法的研究上，国内学者将超声波透射检测法应用于预应力T梁的压浆质量研究，并利用人工神经网络和支持向量机等技术对数据进行处理，实验结果表明该方法能够预测梁体内部的缺陷[8, 9]。还有些研究通过超声波在钢管混凝土模型中的传播实验，对接收到的声波的时间差、相位变化和幅度衰减等参数进行比较，以此为依据评估混凝土的密实度[10]。国外的一些学者通过透射法测量混凝土中的超声波声速，并利用多重回归分析和人工神经网络算法进行数据分析，计算出混凝土的抗压强度[11]。另外还有些研究超声波在混凝土与大理石中的传播状况，并得出混凝土的弹性模量、损伤及强度等相关信息[12]。上述这些实验和研究将超声波检测方法应用到新的材料和结构中，并且辅助新的数据处理算法，在一定程度上推动了超声检测技术的进步。
经过几十年的发展，混凝土的超声检测技术已经渐趋成熟。在检测范围上，从最初的一般结构检测发展到多种材料和结构检测，并且检测范围覆盖地上和地下，检测的参数也包含强度、厚度、孔洞、裂缝、损伤层等[13]。并且很多技术已经在桥梁、公路的工程中得到实际应用[1315]。
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