基于DDS和FPGA的数字式可变脉冲激励超声检测系统研究

摘要

超声波检测是铁路机车车辆零部件及钢轨无损检测的主要技术手段。国内外许多铁路部门都十分重视研发用于机车车辆零部件及钢轨无损检测的超声波检测设备。随着数字电子技术和现代计算机技术的发展，超声波检测设备由传统的模拟式设备向数字式检测设备发展。但是现今存在的超声波检测设备的激励脉冲比较单一，多为尖脉冲或方波脉冲，且脉冲的多个参数无法调节;对于大多数便携式设备，电源电压幅值较低，致使检测能力不够的情况，也没有采取相应补偿措施。基于此，本论文旨在研究和设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心、直接数字合成(DDS)技术为技术手段、辅以高速A/D的数字式可变脉冲激励超声波检测系统，通过可编程方式控制超声波激励信号的产生，以提高超声检测系统的检测能力和适应性，满足不同检测应用的需求。
　　本检测系统采用直接数字合成(DDS)技术，通过可编程方式控制超声波激励信号的产生，使检测系统能针对不同检测需要，灵活设置和选择激励信号的波形、重复频率、脉冲个数和脉冲宽度。同时，对影响激励信号性能的参数（脉冲类型、脉冲个数、脉冲宽度）进行了实验性研究，分析了各参数对激励信号能量的影响。提出在低激励电压条件下，以适当增加激励脉冲个数的方式来提高发射功率，从而提高检测系统的检测能力和适应性的新思想。
　　论文以FPGA器件EP2C35F672为核心控制单元，采用模块化思想完成了检测系统的硬件电路设计，实现了超声波发射接收、程控放大、带通滤波、高速数据采集及人机交互等功能。硬件系统均采用噪声低、精度高和可靠性高的元器件，同时在设计制作时还采取了多种措施来保障和提高检测系统的精度和抗干扰能力。
　　采用FPGA开发软件QuartusII完成了激励信号产生、时序控制、逻辑控制、数据采集、缓存等功能模块的设计与仿真，对软件设计的有效性进行了验证。
　　在实验室采用CSK-IA标准试块对所设计的数字式超声波检测系统进行了功能测试。结果表明，多脉冲激励的方式能够在较低的激励电压下，获得更强的超声回波信号，实现工件内部更深范围内缺陷的有效检出。单脉冲激励方式在较低的脉冲宽度条件下，对分布位置接近的缺陷检测效果较好、分辨力强，可以很好的分辨各缺陷。本检测系统实现了超声回波信号调理、高速数据采集及存储的基本功能;可变脉冲的激励方式提高了检测系统的自适应及智能化程度，具有极强的实用性和研究价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 超声波检测技术概述

1．2．1 超声波检测方法

1．2．2 超声波检测仪分类

1．3 超声检测技术在铁路上的应用

1．3．1 车轴超声波检测

1．3．2 车轮超声波检测

1．3．3 钢轨超声波检测

1．4 超声波检测仪的发展概况

1．4．1 超声波检测仪发展历史

1．4．2 国外研究现状

1．4．3 国内研究现状

1．4．4 超声波检测仪的发展趋势

1．5 论文的研究意义和主要工作

1．5．1 论文的研究意义

1．5．2 论文的主要工作

第2章 数字式超声波检测系统的总体方案设计

2．1 系统功能要求及主要性能指标

2．2 检测系统总体方案设计

2．2．1 检测系统硬件设计方案

2．2．2 检测系统软件设计方案

2．3 检测系统关键问题分析

2．3．1 超声波激励信号的产生

2．3．2 低幅值、高频率回波信号的调理

2．3．3 回波信号的采集和存储

2．3．4 电路的抗干扰设计

2．4 本章小结

第3章 数字式超声波检测系统的硬件设计

3．1 超声波激励电路

3．1．1 超声波激励脉冲分析

3．1．2 超声波激励信号源—DDS设计

3．2 系统电源设计

3．3 回波信号调理模块设计

3．3．1 限幅保护电路

3．3．2 程控放大／衰减电路

3．3．3 二阶有源带通滤波电路

3．4 高速数据采集模块设计

3．5 系统核心板模块设计

3．5．1 FPGA设计

3．5．2 FPGA配置电路

3．6 数据传输模块设计

3．6．1 以太网芯片的选型及特性

3．6．2 以太网接口电路设计

3．7 人机交互模块设计

3．7．1 功能按键电路

3．7．2 数码管显示电路

3．7．3 VGA显示电路

3．8 电路抗干扰设计

3．9 本章小结

第4章 数字式超声波检测系统的软件设计

4．1 FPGA设计介绍

4．1．1 FPGA开发环境及设计流程

4．1．2 FPGA设计语言

4．2 FPGA软件功能模块设计

4．2．1 激励脉冲产生模块设计

4．2．2 PLL时钟模块设计

4．2．3 A／D数据采集模块设计

4．2．4 FIFO缓存模块

4．3 本章小结

第5章 数字式超声波检测系统的调试及实验

5．1 超声波检测系统调试平台

5．2 超声波检测系统各模块功能测试

5．2．1 超声波激励模块功能测试

5．2．2 回波信号调理模块功能测试

5．2．3 高速A／D数据采集模块功能测试

5．3 超声波检测系统整体功能测试

5．3．1 用不同激励信号进行厚度检测试验

5．3．2 对标准试块进行超声波检测试验

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

读硕士学位期间发表的论文