基于PXI转串口通信的双通道高频脉冲激励接收板卡的制作方法

实现了一种用于双通道超声水浸c扫描检测系统的高频脉冲激励接收板卡，属于无损检测领域。

背景技术：

超声水浸c扫描检测是无损检测领域中广泛使用的一种检测方法，是超声显微镜的一种，具有操作方便,检测结果直观、检测精度高等优点。使用超声c扫描技术，可以获得被测试件表面以及内部在不同深度层面上的二维声学图像。从所显示的二维图像上可以直观地看到在一定深度层面上是否存在缺陷，以及缺陷的形状、位置、分布及走势。

超声层析成像法是在超声c扫描技术基础上发展而来的检测方法。以固定的时间窗宽度对表面回波及底面回波的之间的回波信号加以划分，可以实现在被测试件深度方向上的分层处理，进一步可以获得不同深度处的超声c扫描成像。超声层析成像保留了c扫描灵敏度高、检测结果直观等优点，同时可以定位缺陷的深度范围、获得广泛发展趋势。

目前常用于c扫描检测系统的超声信号激励接收仪主要有panametrics5800/5900系列和jsrdpr300/dpr500系列等，激励方式均为单极性负高压脉冲。虽然商用设备的性能可靠，但其体积大、成本高、激励方式单一，制约了其使用范围，不利于c扫描检测系统的集成化发展

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述不足，提供一种基于pxi转串口通信的双通道高频脉冲激励接收板卡，用于双通道超声水浸c扫描检测系统的高频脉冲激励接收，该板卡与其他功能板卡一样插于pxie机箱内，占用机箱的一个卡槽，极大提高检测系统的集成度。

本实用新型采用的技术方案为基于pxi转串口通信的双通道高频脉冲激励接收板卡，激励频率、激励脉冲周期数、激励模式、重复频率、回波增益可程控调节。激励频率调节范围为100khz-25mhz、可激励200vpp单周期脉冲到多周期脉冲序列、激励模式包括重复激励及外部触发激励两种、激励重复频率调节范围0.1khz-50khz、回波增益调节范围为0-80db。

为实现上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：基于pxi转串口通信的双通道高频脉冲激励接收板卡，由pxi总线转串口通信载板与双通道脉冲激励接收板组成，pxi总线转串口通信载板与双通道脉冲激励接收板之间通过排针连接，共占用pxie机箱的一个插槽。

所述pxi总线转串口通信载板通过pxi总线插座与pxie-1071机箱实现连接，基于pxi总线接口芯片pci9054实现主机pxi总线转rs232串口通信，串口传输波特率为9600。

所述双通道脉冲激励接收板由两个通道的双极性脉冲激励电路及各自的回波信号调理电路、fpga核心系统电路以及电源模块组成。两个通道的双极性脉冲激励电路及回波调理电路的硬件设计相同。fpga核心系统电路作为主控器分别连接激励电路中的场效应管驱动器控制端、回波信号调理电路中的da芯片；激励电路中的场效应管输出连接sma接头，通过bnc线与探头连接；sma接头同时连接回波信号调理电路中的隔离限幅二极管。

所述pxi总线转串口通信载板能够为双通道脉冲激励接收板提供3.3v和12v的电压。

所述的双极性脉冲激励电路由场效应管驱动器与n/p沟道增强型场效应管连接组成，场效应管耐压200v，导通时的最小上升沿和下降沿时间均为20ns，能产生最大中心频率25mhz的双极性高压脉冲激励相应的超声探头。

所述回波信号调理电路由隔离限幅电路、电压跟随器、程控增益放大器、7阶低通巴特沃斯滤波器组成；隔离限幅二极管阴极连接电压跟随器的输入端，电压跟随器输出端连接程控增益放大器的输入端，程控增益放大器的输出连接7阶无源低通巴特沃斯滤波器，7阶无源低通巴特沃斯滤波器的输出连接sma接头，回波信号由sma接头通过bnc线连接到采集卡。

所述隔离限幅电路为并联二极管，将输入电压钳位在二极管的导通电压以内，用以隔离激励电路产生的高压脉冲，起到保护后级电路的作用。

所述电压跟随器选用ad8021作为后级运放的前置输入缓冲，起阻抗匹配的作用。

所述程控增益放大器采用两级运放级联方式，通过fpga控制串行数模转换器输出来调节程控增益放大器的电压控制端，进而实现增益可调的功能，增益调节范围为0～80db，带宽为30mhz。

所述7阶低通巴特沃斯滤波器用以滤除高频噪声，提高回波信号信噪比，带宽为30mhz。

所述电源模块中fpga及其外围芯片所需电源由线性稳压器获得，场效应管的供电电压为±100v，由dc-dc隔离稳压双路高电压电源模块提供。

本实用新型具有以下优点：(1)板卡具有两个信号激励接收通道，能驱动激励两个超声聚焦探头，实现对两个试块的同时c扫描层析检测，且各通道激励参数独立可调，提高了检测效率。(2)二合一板卡仅占用4插槽机箱的一个插槽，具有结构紧凑，体积小，集成度高的优点。

附图说明

图1为主控单元与外围电路结构示意图；

图2为板卡输入输出接口结构示意图；

图3为7阶低通无源巴特沃斯滤波器一实施例电路图；

图4.a)为激励信号时频测试示意图(单周期2.5mhz)；

图4.b)为激励信号时频测试示意图(三周期5mhz)；

图5为板卡回波信号测试示意图；

图6为控制程序结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1所示为基于pxi转串口通信的双通道高频脉冲激励接收板卡其主控单元与外围模块示意图，包括pxi总线转串口通信载板、两个通道的双极性脉冲激励电路及各自的回波信号调理电路、fpga核心系统电路以及电源模块。上位机通过pxi总线转串口通信载板将激励接收卡的参数传输至fpga，控制产生两通道高压脉冲信号激励各自的水浸式超声探头，反射回波信号经同一探头接收再经由信号调理电路放大滤波后，传输至双通道数据采集卡。

本实施例中pxi总线转串口通信载板基于pxi总线接口芯片pci9054实现主机pxi总线转rs232串口通信，串口传输波特率为9600，并为双通道脉冲激励接收板提供3.3v和12v电压。pxi总线转串口通信载板与双通道脉冲激励接收板间通过排针连接，二合一板卡通过pxi总线插座插于pxie-1071机箱中的一个插槽，集成度高。

本实施例中的fpga为altera公司cycloneiv系列的ep4ce10e22，具有91个通用i/o，2个锁相环，最高时钟频率325mhz。fpga核心系统电路包括50mhz的晶振提供时钟输入、epcs16程序存储器、jtag配置电路、pll配置电路。fpga作为主控单元分别控制两路脉冲激励电路驱动信号的产生、信号调理电路中da芯片的输出电压用以程控回波增益的大小以及串口端参数的发送与接收。

本实施例中高压脉冲激励电路基于高速开关器件场效应管，通过fpga输出的逻辑电平信号控制场效应管的开断来实现高压脉冲信号的产生，用以激励相应的超声探头，接收到的微弱回波信号依次经由限幅电路、电压跟随器、程控增益放大器、7阶无源低通巴特沃斯滤波器组成的信号调理电路放大滤波后，输出至采集系统。

本实施例中fpga核心系统所需的1.2v、2.5v电压使用线性稳压器ams1117-1.2和adp124-2.5来获得低纹波电源，场效应管的高压±100v供电通过dc-dc隔离稳压双路高电压电源模块提供。

图2为板卡的输入输出接口结构示意图，包括pxi总线转串口通信载板1、双通道脉冲激励接收板2、触发输入接口3、通道一接收输出接口4、通道一激励接口5、触发输出接口6、通道二接收输出接口7、通道二激励接口8、pxi总线插座9。输入输出接口均为sma接口。板卡的通道一激励接口5与通道二激励接口8分别连接相应的超声探头，通道一接收输出接口4与通道二接收输出接口7分别连接相应的采集板卡通道；触发输入接口3连接伺服电机编码器的输出，触发输出接口6连接采集卡的触发输入接口，伺服电机旋转一周，编码器输出固定个数脉冲数信号，通过利用伺服电机编码器输出的脉冲信号，将其做为激励接收板卡的触发源，达到固定位置激励的目的，激励的同时触发采集板卡采集数据。板卡通过pxi总线插座9插于pxie-1071机箱。

图3为7阶无源低通巴特沃斯滤波器本实施例电路图，其3db带宽为30mhz，作用为防止高频噪声干扰，进一步提高回波信号信噪比。

图4a)-图4b)为板卡设计完成后的单通道激励信号时频测试示意图，其中图4a)为程序设定输出的单周期2.5mhz脉冲时频图，图4b)为程序设定输出的三周期5mhz的脉冲时频图。从时域波形可以看出，激励的双极性方波信号正负极性对称性较好，由于场效应管自身导通电阻分压的影响，信号幅值产生了一定衰减，当输出信号为3个周期的连续方波脉冲时，没有明显畸变，因带有容性负载略微产生拖尾现象。激励信号的频谱为典型的方波信号频谱，频率成分包含了信号的中心频率及中心频率的奇数次谐波。激励信号的实际中心频率与输出设定值基本吻合。

图5为板卡应用于双通道水浸c扫描检测系统测到的试块回波信号示意图，增益设置为10db，激励5mhz的水浸式平探头，从测试结果可以明显看出试块的上下表面回波，且回波信号信噪比高，可用于水浸c扫描层析成像检测。

图6为控制程序结构示意图，fpga控制程序包括verilog编写的硬件逻辑程序以及nios配置生成的cpu软核操作程序。pll锁相环为时钟管理ip核，用来将晶振提供的时钟进行分频或倍频处理提供给各控制模块。cpu软核用来实现程控增益模块中的da芯片输出控制以及串口收发程序的控制以及其他硬件逻辑程序的参数设置。本实施例中的激励模式选择程序与参数选择器实现对板卡激励模式的选择，包括重复激励以及外部(编码器)触发两种；激励控制程序实现对激励信号的中心频率与周期个数的控制。