基于TMS320C6201的鋼軌超聲波探傷系統(tǒng)

　　1　引言

　　目前鐵路路檢部門的檢測設(shè)備主要是手推式鋼軌探傷儀。檢測時(shí)由工人技師根據(jù)儀器顯示屏上的超聲波回波信號波形,依據(jù)過去經(jīng)驗(yàn)判斷鋼軌是否有損傷,并需人工進(jìn)行確認(rèn)。這種探傷方式,主觀性較高,效率較低,且不能得到損傷詳細(xì)情況。同時(shí),這種超聲波探傷儀沒有對檢測信號記錄和信息處理的功能,現(xiàn)場檢測時(shí)依賴工作人員主觀對儀器顯示屏上的超聲回波信號進(jìn)行判斷和手工記錄,所以檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有很大的隨機(jī)因素。更重要的是,按照國際施工檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,超聲波檢測必須要有可靠和可信的現(xiàn)場記錄。

　　因此,不論是從提高施工質(zhì)量檢驗(yàn)水平和管理水平,還是與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌方面考慮,都有必要增加超聲波探傷檢驗(yàn)信息的智能化處理和自動記錄功能。近年來,數(shù)字技術(shù)已經(jīng)部分應(yīng)用于超聲波探傷設(shè)備中,這些探傷儀可分為以下兩種類型:一種在傳統(tǒng)的超聲波探傷儀的基礎(chǔ)上增加PC機(jī)系統(tǒng)組合而成,這種系統(tǒng)一般體積較大,不適合野外作業(yè),使用不方便;另一種是在儀器使用單片機(jī)技術(shù),對信號進(jìn)行簡單的采集、顯示,但由于單片機(jī)芯片的性能限制,不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,只是簡單的數(shù)字化。

　　我們研制的探傷系統(tǒng)把現(xiàn)今最先進(jìn)的數(shù)字信號處理器技術(shù)應(yīng)用于超聲波探傷儀,能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行信號采集、處理、顯示,具有信號存儲,并可與PC機(jī)通訊的探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為硬、軟件兩部分。

　　2　系統(tǒng)概述

　　本研究項(xiàng)目是運(yùn)用近年來數(shù)字信號處理技術(shù)方面的最新成果,研制出的一種新型鋼軌超聲探傷系統(tǒng)。本系統(tǒng)對比原探傷儀增加了對超聲波回波信號進(jìn)行數(shù)字化,并進(jìn)行實(shí)時(shí)信號處理,信號分析,常見的損傷信號判斷處理,損傷的類型確定并可具體計(jì)算損傷的相應(yīng)大小及位置?，F(xiàn)場使用時(shí),把該系統(tǒng)的新功能和工人的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,可得到非常理想的結(jié)果。明顯克服原儀器的不足,提高探傷的準(zhǔn)確性和可靠性。并提高勞動效率,降低勞動強(qiáng)度。

　　另外,該系統(tǒng)對超聲波信號進(jìn)行存儲記憶,與PC機(jī)進(jìn)行通訊, 將數(shù)據(jù)存儲在PC機(jī)上,為以后在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)對信號的再處理分析提供條件。系統(tǒng)的核心判斷部分由軟件算法來完成,這就為日后隨著研究的深入,改進(jìn)分析處理算法,升級系統(tǒng)提供較簡便的方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)部分組成。

　　超聲波發(fā)送接受部分,包括超聲波產(chǎn)生發(fā)射、接受、信號調(diào)理;DSP信號處理部分,包括數(shù)字信號采集、數(shù)據(jù)信號傳輸、 DSP數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、報(bào)警;顯示部分主要將前部分處理后的信號及信號處理結(jié)果進(jìn)行顯示及存儲、和 PC機(jī)的通訊。經(jīng)超聲波換能器(探頭)發(fā)射并接受的回波信號經(jīng)前端信號調(diào)理進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、采集,由DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析。處理的最后結(jié)果通過前端的PIC16F877 單片機(jī)(front MCU)進(jìn)行永久存儲并顯示。

　　系統(tǒng)的信號存儲器容量有限,需要定時(shí)將儀器內(nèi)存儲的信息保存到PC機(jī)上。通過儀器上的串口與PC機(jī)進(jìn)行通訊,以便存儲下載到微機(jī)上保存?？梢詫Ρ４嬖谖C(jī)上的信號利用我們編制的程序進(jìn)行再現(xiàn),或利用其他信號分析工具進(jìn)行再分析。

　　3　信號處理設(shè)計(jì)

　　3.1　信號采集及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中的超聲波換能器的標(biāo)稱工作頻率為 2 MHz,實(shí)際由于探頭的晶片顯示和安裝工藝的影響,實(shí)際頻帶范圍在標(biāo)稱頻率的±5%左右。根據(jù)采樣定律,實(shí)際上采樣頻率至少應(yīng)為信號的二倍,系統(tǒng)中我們的采樣頻率為5 MHz。為實(shí)現(xiàn)較高的采樣頻率和數(shù)字傳輸,硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:AD轉(zhuǎn)換器件 AD9042其采樣頻率為5 MHz,精度為12位,其時(shí)鐘時(shí)信處理板上的時(shí)鐘經(jīng)分頻提供。雙口RAM采用兩片IDT公司的IDT7042組成,容量為4K×32位。右端與C6201相連,占用C6201的CE3空間。左端與 AD9042之間采用FPGA進(jìn)行連結(jié),FPAG(Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列,是一種半定制電路。通過對FPGA編制程序,FPGA控制AD啟動和采樣頻率,并由FPGA存儲A/D采樣結(jié)果。超聲波信號經(jīng)過前端調(diào)理電路處理,信號進(jìn)入 AD9042。采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA鎖存,同時(shí)FPGA通過LCE# LWE# DRACS選定一片雙口RAM,通過地址產(chǎn)生器產(chǎn)生的地址,將數(shù)據(jù)存儲到IDT7042 中。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲滿時(shí),FPGA觸發(fā)DSPC6201的外部 INT7中斷,DSP運(yùn)行中斷處理程序,將數(shù)據(jù)存入到雙口RAM中。同時(shí),FPGA將采樣的數(shù)據(jù)存儲到另一片雙口RAM中。DSP的存儲操作不影響A/D采樣。