摘要:本研究采用最高采样率为120MS/s,采样精度为14位,PCI总线的高速A/D数据采集卡PCI29820构造了数据采集模块,实现了数字超声检测系统中A扫描波形数字化、存储、处理功能。还介绍了采用WD2DASK和Microsoft VisualC++在Windows XP下的编程应用。
随着新材料在工业领域的不断应用和工业产品种类、产量的不断增加,采用无损检测技术对产品和材料进行质量监控的需求也越来越大。超声检测是五大常规无损检测技术之一,在产品质量监控中,起着举足轻重的作用。
超声检测一般采用超声检测系统,利用频率为0·5~30MHz的短脉冲波激励超声波探头,发出一定频带的超声波,经过与试件进行相互作用,对反射、透射或散射的超声波进行记录、分析、研究等工作,可对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其特定应用性进行评价。因而超声检测对于设备的依赖性很大。超声检测系统一般包括探伤仪、机械扫描器、运动控制、数据采集、数据成像等部分。目前国外进口超声检测设备造价高,订货周期长,在一定程度上限制了超声检测的应用。国内也相继出现了数字化超声检测系统,并已成为超声检测的发展方向之一。但这些数字化超声检测系统受高速A/D数据采集和数据传输的限制,只能停留在低频段超声信号处理上。
目前随着高速A/D数据采集技术的发展,使得突破材料超声检测系统中的超声信号高速、高精度采集关键技术,满足客户对于超声检测系统检验精度、速度等的要求成为可能。本工作经过研究和实验,采用高速A/D数据采集卡,开发了具备高速A,B,C扫描等功能的新型高速数字超声检测系统。
1 高速A/D数据采集模块
高速A/D数据采集模块是数字超声检测系统的重要组成部分,负责将超声信号转换为数字化波形,传递给系统进行数据处理和图像显示等[1,2]。先把超声波形数字化以提取回波的整体信息,采用高速A/D数据采集模块和大容量的高速存储器来采集和存储回波的全部信息,除能提供缺陷的幅度、位置等信息,还可以显示、冻结、存储和回放已存储的回波波形,为后期数字信号处理奠定了良好的基础。高速A/D数据采集模块需要根据超声检测系统设计的检测能力决定以下技术指标:1·采样频率;2·采样精度;3·采样深度;4·触发方式;5·采集方式;6·数据传输率。
采样频率根据超声波信号的频带范围和奈奎斯特(Nyquist)采样定理确定,采样频率越高,采集的数字信号还原后越接近真实,但数据量也越大。一般的超C++在Windows XP下的编程应用。
声信号频率低于30MHz,由奈奎斯特采样定理可知,当采样频率大于信号频率的两倍以上时,信号才有可能被不失真地还原,因此本研究在高速数字超声检测系统中采用120MHz的采样频率,即满足了采样定理,充分利用了硬件的性能,使得采集数据量在合适的范围,不影响数字超声检测系统的正常运行。采样精度根据实际需要,在超声信号电压范围内进行选择,常见的有1,3,4,8,10,12,14位(16384级)等,与采集卡硬件相关,也受限制于采集系统的数据传输能力。
采样深度取决于试件的声速、试件的厚度和检测方式。采样深度受采集卡硬件、采集速度、信号等因素的影响,选择合理的采样深度对于整个高速数字超声检测系统的性能具有重要意义。采用反射法检测时,采样深度应大于超声波在试件中传播的往返时间乘以采样频率。
触发方式是指高速A/D数据采集的信号与超声探头的位置同步方式。一般有内部触发、外部数字触发、外部模拟触发等方式,只有采用合适的同步方式产生同步信号,使得运动控制模块和高速A/D数据采集模块同步,才能保证采集到的超声信号与试件的具体位置一一对应,真实反映试件内部的缺陷等情况。
采集方式是指高速A/D数据采集卡的工作方式,根据采集卡的性能、采集频率、采集深度、采集精度、触发方式等参数设定后选择合适的工作方式。对于不同的采集设置和超声检测对象,采集方式也不同。数据传输速率是高速A/D数据采集卡的重要技术指标之一,是指单位时间能传输的数据量。当采集数据速率大于数据传输速率时就需要采用缓冲方式避免采集的数据丢失,或者采用间歇式采样,采集结束后传输,传输结束后再开始下一次采集。最大数据传输速率等于PCI总线频率乘以PCI总线的宽度。一般工控机的PCI总线宽度为32位,频率为33MHz,则数据传输速率最大为132MB/s。对于连续的高速A/D数据采集,采用的采集速率应小于PCI的最大数据传输速率132MB/s,否则会导致数据丢失。经过研究和分析,本研究选择了ADLINK公司的PCI29820高速A/D采集卡作为数字超声检测系统的数据采集模块的硬件,完成高速A/D数据采集功能。
1.1 高速A/D数据采集卡结构
PCI29820高速A/D采集卡具有自动校准、高速采集、DMA传输、多种触发模式、多采集卡同步等特点。PCI29820高速A/D采集卡的结构和部分参数如图1所示。
采用PCI29820高速A/D采集卡将超声探伤仪输出的超声信号采集到系统中进行数据处理和图像显示,实现了A扫功能,为B扫、C扫提供了数据。
1.2 模拟信号输入范围
数字超声检测系统中使用的超声探伤仪输出的RF模拟信号电压范围为±0.6V,PCI29820高速A/D采集卡可以接受两个通道的模拟信号单端输入,信号电压范围采用±1V量程,有效提高了信号采集精度。所有模拟信号都是DC耦合,同时进行了阻抗匹配,根据实际需要采用50W阻抗进行匹配,提高了系统对超声信号采集的灵敏度。采集精度为14位(16384级),采集数据为2字节16位无符号整数,b15为通道编号,b14为信号电压溢出标志,b13-b0共14位为有效数据。
1.3 采集方式
基于数字超声检测系统中超声信号的频率和特点,根据超声信号的采集速率和深度要求,采用了双通道切换采集方式,采集速率为120MHz,满足了超声信号的无失真采集和还原。双通道切换采集方式,采用内部时钟1与时钟2具有180度相位差技术,使得采样速率可以达到120MHz。如果采用外部时钟输入65MHz时,双通道切换采集的采样速率可以达到130MHz。只有0号输入通道支持双通道切换采集模式,原理见图2。
1.4 触发源
在数字超声检测系统中,超声信号需要与探头位置进行同步,所以采集同步信号由运动模块根据探头的实际位置产生,触发探伤仪和高速A/D采集卡。超声检测系统采用根据探头位置信息发出同步触发信号作为A/D采集卡的外部数字触发源。触发信号符合TTL电平,触发信号宽度最窄为20ns,采用上升沿进行触发。
在该数字超声检测系统中,本研究采用外部TTL电平数字触发方式,由机械扫描器的运动电机编码器反馈根据超声检测的采样间距产生同步信号,同时控制探伤仪和高速A/D数据采集,使得数字信号与试件位置达到同步和对应。
1.5 采集触发模式
采集触发模式是指以触发信号发生的时间为起点,何时开始采集,通常分为:前触发采集、后触发采集、中触发采集、延迟触发采集和一次触发多次采集模式。采集深度受采集卡硬件、板载SDRAM和PCI数据传输带宽等条件的限制。
前触发采集模式可以采集触发信号前的数据,以事件触发时为终点,根据采集深度向前推算起点。用户可以根据需要设定采集深度,采集深度受板载SDRAM分配容量的限制。如果事件触发时,已经采集到了指定的深度则结束采样;如果未达到指定的深度时则继续采集数据,可以通过软件设定选择采集到指定深度结束采集或者忽略该次事件触发信号,等待下次事件触发信号。后触发采集模式是指在事件触发后立即开始采集,采集深度达到指定要求后结束。中触发采集模式可以设定在触发时,从触发前采集的深度M和触发后采集的深度N。中触发采集模式的采集深度为深度M+N,等于前触发模式下采集深度M与后触发模式下采集深度N的组合。延迟触发采集模式类似与后触发采集模式,是在触发事件发生后忽略M个采样点之后开始采集,达到指定的采集深度后结束。
超声信号与探头位置采用同步信号进行同步,当超声探伤仪接收到触发信号后,发射脉冲激发超声探头,探头接收到回波信号,再输出到探伤仪输出接口,这会有一定的时间延迟。因此高速数据采集模块一般常采用延迟触发模式,在触发信号接收到后延迟一定时间,等到探伤仪输出端口输出回波信号时开始采样,单次触发单次采样,完成A扫超声波形的数字化、存储和处理功能。
1.6 数据传输
数据传输决定了数字超声检测系统中高速数据采集模块的数据输出能力,如果采集的大量数据不能及时传输到计算机内存中进行处理,可能会导致数据丢失、遗漏信号的问题产生。本研究在数据采集模块中采用异步采样,利用PCI29820采集卡提供的板载512M的SODIMM SDRAM进行两步采集。第一步先将采集数据存储到板载SDRAM中,第二步采用分散/收集DMA数据传输方式进行数据传输。Win2dows XP是微软开发的多用户多任务操作系统,应用广泛,支持DMA操作。同时,还采用了事件触发处理机制,在进行采集完成后自动调用函数,完成数据的DMA传输功能和其他数据处理功能,有效的避免了重复查询对于采集卡和CPU的时间占用问题。DMA传输方式基本不需要CPU的参与就可以将数据块高速传输到内存地址中,但是需要预先分配连续的内存块。传输数据量较大时,分配大容量连续内存难度比较大,该卡采用了分散/集合DMA数据传输方式,将数据分散为数据块并连接为队列,通过PCI总线进行分块的DMA数据传输,有效的解决了大数据量DMA传输的内存分配问题。但PCI29820采集卡的FPGA逻辑模块不支持多任务,所以高速采集和大量数据传输不能并行进行。应用时必须仔细考虑采集速率、采集数据量和PCI传输的问题。
1.7 采集校准
数字超声检测系统的高速数据采集模块在首次使用时或者长时间工作、环境变化、温度变化等因素的影响下会产生零点漂移,需要采用标准电压对高速A/D采集卡进行校准,消除温度漂移或者时间漂移对采样带来的误差。本研究采用PCI29820高速A/D采集卡提供的自动校准功能,自动校准时间大约为2min。不需要提供外部参考电源和人工干预,采用内部标准的5V电压对两个通道自动进行独立校准。自动校准完成后,校准参数会被存储在EEPROM中,不丢失,避免了每次都进行校准操作。PCI29820还提供了额外的3组可存储校准参数,可用于不同应用环境下的校准参数,用户只需要载入校准参数即可,不用再次进行校准操作。校准参数对采集的数据准确度影响较大,采集校准一般在PCI29820卡工作15min以后,环境温度等条件基本保持不变时进行自动校准操作,以保证校准数据的有效性。
2 编程应用
数字超声检测系统数据采集模块中采用的PCI29820高速A/D采集卡提供了设备驱动和WD2DASKAPI函数库,可用于VC++,VB,Delphi,BC,GCC等能调用DLL的编程语言进行开发。本研究采用了WD2DASK和Microsoft Visual C++8·0开发了基于Windows XP操作系统的数字超声检测设备软件系统。
PCI29820采集卡提供的DLL包括wd2dask.dll,wd2dask.h, wd2dask.lib。开发时,首先建立VC++项目,将wd2dask. h和wd2dask. lib加入项目,在stdafx.h中增加#include“wd2dask.h”。然后在需要调用处增加对PCI29820的注册,初始化设置、内存分配、触发方式设置等操作,然后开始采集和数据传输,具体采集流程见图3。
多线程应用程序的编写和调试比较困难,并发运行线程的并行性增加了代码编写的额外复杂度。辅助线程适合于在后台执行孤立的任务,这些任务能够与应用程序的其他部分相对脱离,并且能够在前台进行其他处理时在后台执行。数据采集模块进行高速A/D数据采集、数据传输等操作时,数据量大,耗时长,采用辅助线程能有效避免对CPU的独占,可充分利用CPU等资源。但必须仔细处理好数据采集线程、数据处理线程、图像显示线程等之间的同步、互斥和数据通信问题[3,4],否则会导致系统整体性能下降甚至无法运行。本研究采用了多线程技术,避免了程序出现假死或者无法响应现象,改善了应用程序的响应性能,突破了超声信号的高速高精度采集关键技术。该高速超声检测系统已经开发完成并投入使用,具备A,B,C扫描等功能,系统运行稳定,应用良好。图4是该系统采用25MHz探头检测钛合金超声平底孔试块A扫描数字化波形。
3 结论
(1)高速A/D数据采集模块是数字超声检测系统中的重要组成部分。采用PCI29820高速数据采集卡完成了超声波波形信号数字化、存储和处理等功能,满足了数字超声检测系统对30MHz以下的超声信号高速高精度采集和分析要求。
(2)采用分散/集合DMA数据传输方式和板载大容量SDRAM,解决了数字超声检测系统中数据采集模块的大量数据高速采集和传输问题。
(3)采用WD2DASK和Microsoft Visual C++8.0开发了基于Windows XP的超声检测设备软件系统,系统运行稳定,满足了材料超声检测的需要。该数字超声检测系统在材料和制件的超声检测中,可进行超声信号的A扫描波形数字化,为C扫描和B扫描成像提供数据。
参考文献
[1] 陈雪松.基于PCI总线四通道高速数据采集卡的火车轴超声检测系统[J].无损检测,2005,27(10): 514-517.
[2] 郝红卫.小径管焊缝超声波探伤扫查装置的研制[J].无损检测,2006,Vol.28 No.1: 11-16.
[3] GEORGE S. Programming with Microsoft Visual C++. Net,Sixth Edition(Core Reference)[M].北京:清华大学出版社,2004.
[4] TOM A. Visual C++.NET Bible[M].北京:电子工业出版社,2003.
作者简介:杨党纲(1974-),男,工程师,主要从事超声扫描设备研发和软件开发,联系地址:北京81信箱6分箱(100095)。
