焊缝检测系统中PCI总线高速数据采集卡的设计

摘要：介绍了应用在焊缝缺陷自动超声检测系统中的高速数据采集卡的性能，给出了其硬件实现方案和ＷＩＮＤＯＷＳ９８下的虚拟设备驱动程序（ＶＸＤ）。该数据采集卡不仅具有较高的采样频率，而且充分利用ＰＣＩ总线带宽，实现了高速数据传输。测试表明，ＷＩＮＤＯＷＳ９８应用程序能够稳定地采集焊缝信号，满足系统对数据采集的要求。
　　关键词：数据采集ＰＣＩ总线焊缝缺陷ＶＸＤ
　　
　　焊缝缺陷自动超声检测系统是一种重要的无损探伤设备，可用于检测平板、管道、容器等的纵、横焊缝以及接管角焊缝缺陷。与手工检测方法相比，该系统具有运行平稳、漏检率低、显示直观等优点。
　　
　　在焊缝缺陷自动超声检测系统中，缺陷回波信号通常为宽度约１０ｎｓ～１００ｎｓ、幅值在几十μＶ到几十ｍＶ之间的窄脉冲。为满足缺陷回波信号的检测要求，研制了一种基于ＰＣＩ总线的高速数据采集卡，它是面向超声检测应用而设计的：该卡采用转换速率为６０ＭＨｚ的八位高速Ａ／Ｄ以满足数据采集的要求；为缓存Ａ／Ｄ芯片输出的高速数据并充分利用ＰＣＩ总线带宽，加入３２ＫＢ的高速ＦＩＦＯ缓存组；同时，为满足多通道探伤的要求，设计了通道选择电路以实现通道之间的切换；此外，为调理缺陷回波信号，卡上还配有高增益高带宽放大电路。
　　
　　１高速数据采集卡的工作原理
　　
　　焊缝缺陷自动超声检测系统的信号采集框图如图１所示。系统的工作原理是：首先由高压脉冲发生电路发射高压脉冲；高压脉冲经换能器形成超声波信号，遇到缺陷或杂质时产生反射波，经换能器转换为电压信号，该信号经放大调理、Ａ／Ｄ转换后，形成数字量，写入高速ＦＩＦＯ存储器中。最后，由ＰＣＩ接口芯片将ＦＩＦＯ中的数据适时地写入内存。
　　
　　２数据采集电路的硬件设计
　　
　　２．１高增益高带宽放大电路
　　
　　采用带触发的直流逆变电路产生高压脉冲，采用多路模拟通道选择电路实现通道切换以满足多通道探伤要求。模拟信号经五级放大、滤波后，作为Ａ／Ｄ转换电路的输入。放大电路采用最高增益为８０ｄＢ、带宽为１５ＭＨｚ且分辨率为１ｄＢ的放大器，并且采用数字电位器实现放大增益的动态调整。
　　
　　２．２Ａ／Ｄ转换电路
　　
　　Ａ／Ｄ转换电路采用美国ＢＢ公司的ＡＤＳ８３０。该芯片的信噪比高、功耗低、非线性畸变小，广泛应用于图像处理、数字通信和视频测试系统中。ＡＤＳ８３０的精度为八位，最高采样频率为６０ＭＨｚ，可满足焊缝缺陷自动超声检测系统对数据采集精度和采样频率的要求。它有共模和差模两种信号输入方式，且输出的数字量可直接与５Ｖ或３．３Ｖ芯片接口。
　　
　　２．３高速ＦＩＦＯ存储器
　　
　　高速缓存是保证高速数据不丢失的关键，确保了数据的真实性。同时，高速ＦＩＦＯ缓存使Ａ／Ｄ芯片不必工作在ＰＣＩ同步时钟下，提高了Ａ／Ｄ芯片的利用率。ＩＤＴ公司的存储器性能优良，且同系列存储器一般可以做到管脚级兼容，容易实现硬件设计的模块化。为方便读写数据，选择先进先出式（ＦＩＦＯ）的缓冲存储器ＩＤＴ７２０５Ｌ１５。其访问时间为１５ｎｓ，每片容量为８Ｋ×９位。支持异步读写，并提供诸如满、半满、空等用于位扩展和深度扩展的信号。高速数据采集卡为实现８位Ａ／Ｄ和３２位ＰＣＩ总线的宽度匹配，采用了位扩展技术。为加深ＦＩＦＯ的缓冲深度，将外加ＦＩＦＯ缓存与ＰＣＩ接口芯片内部的ＦＩＦＯ相级连。
　　
　　２．４基于ＣＰＬＤ的控制逻辑
　　
　　基于ＣＰＬＤ的控制逻辑是高速数据采集卡的核心，它为ＰＣＩ接口芯片提供满足时序要求的读写信号，同时选择模拟信号的输入通道、控制高压脉冲发生逻辑并设定放大电路的增益。此外，ＣＰＬＤ还能利用高速ＦＩＦＯ缓存的空、满标志位，配合ＰＣＩ接口芯片实现ＤＭＡ写操作，完成高速数据传输。Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＸＣ９５７２ＸＬ－ＶＱ６４芯片的脚到脚延迟最大为１０ｎｓ，可满足ＰＣＩ总线接口时序的要求。单片ＸＣ９５７２ＸＬ－ＶＱ６４能满足焊缝缺陷自动超声检测系统逻辑控制的要求，且具有体积小、可靠性高、调试方便等突出优点。
　　
　　图２是基于有限状态机ＦＳＭ（ＦｉｎｉｔｅＳｔａｔｅＭａｃｈｉｎｅ）方法设计的控制逻辑状态转换图。其中，ＲＳＴ和ＩＲＱ是由ＰＣＩ接口芯片Ｓ５９３３输出的可由程序任意控制的两个信号，它们的高低状态同高速ＦＩＦＯ缓存的空、满信号一起决定了控制逻辑的六个可能的状态，图中以椭圆表示。计算机上电时，控制逻辑处于ＲＳＴ＝ＩＲＱ＝１的状态。值得一提的是，ＲＳＴ和ＩＲＱ信号都有适当的上拉电阻，所以不会出现高阻浮空的状态，使控制逻辑能够稳定地工作。实线是控制逻辑采用的状态转移路线，而虚线是可能的但不采用的状态转移路线。在各状态之间进行切换是很容易的，只需通过程序使ＲＳＴ或ＩＲＱ信号出现高或低跳变。状态转移时伴随着的电路动作见转换线旁的注释。
　　
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