焊縫檢測系統(tǒng)中PCI總線高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

焊縫缺陷自動超聲檢測系統(tǒng)是一種重要的無損探傷設(shè)備，可用于檢測平板、管道、容器等的縱、橫焊縫以及接管角焊縫缺陷。與手工檢測方法相比，該系統(tǒng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、漏檢率低、顯示直觀等優(yōu)點。
在焊縫缺陷自動超聲檢測系統(tǒng)中，缺陷回波信號通常為寬度約１０ｎｓ～１００ｎｓ、幅值在幾十μＶ到幾十ｍＶ之間的窄脈沖。為滿足缺陷回波信號的檢測要求，研制了一種基于ＰＣＩ總線的高速數(shù)據(jù)采集卡，它是面向超聲檢測應(yīng)用而設(shè)計的：該卡采用轉(zhuǎn)換速率為６０ＭＨｚ的八位高速Ａ／Ｄ以滿足數(shù)據(jù)采集的要求；為緩存Ａ／Ｄ芯片輸出的高速數(shù)據(jù)并充分利用ＰＣＩ總線帶寬，加入３２ＫＢ的高速ＦＩＦＯ緩存組；同時，為滿足多通道探傷的要求，設(shè)計了通道選擇電路以實現(xiàn)通道之間的切換；此外，為調(diào)理缺陷回波信號，卡上還配有高增益高帶寬放大電路。

１ 高速數(shù)據(jù)采集卡的工作原理

焊縫缺陷自動超聲檢測系統(tǒng)的信號采集框圖如圖１所示。系統(tǒng)的工作原理是：首先由高壓脈沖發(fā)生電路發(fā)射高壓脈沖；高壓脈沖經(jīng)換能器形成超聲波信號，遇到缺陷或雜質(zhì)時產(chǎn)生反射波，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為電壓信號，該信號經(jīng)放大調(diào)理、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后，形成數(shù)字量，寫入高速ＦＩＦＯ存儲器中。最后，由ＰＣＩ接口芯片將ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)適時地寫入內(nèi)存。

２ 數(shù)據(jù)采集電路的硬件設(shè)計

２．１ 高增益高帶寬放大電路

采用帶觸發(fā)的直流逆變電路產(chǎn)生高壓脈沖，采用多路模擬通道選擇電路實現(xiàn)通道切換以滿足多通道探傷要求。模擬信號經(jīng)五級放大、濾波后，作為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路的輸入。放大電路采用最高增益為８０ｄＢ、帶寬為１５ＭＨｚ且分辨率為１ｄＢ的放大器，并且采用數(shù)字電位器實現(xiàn)放大增益的動態(tài)調(diào)整。

２．２ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路采用美國ＢＢ公司的ＡＤＳ８３０ADS830。該芯片的信噪比高、功耗低、非線性畸變小，廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)字通信和視頻測試系統(tǒng)中。ＡＤＳ８３０的精度為八位，最高采樣頻率為６０ＭＨｚ，可滿足焊縫缺陷自動超聲檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集精度和采樣頻率的要求。它有共模和差模兩種信號輸入方式，且輸出的數(shù)字量可直接與５Ｖ或３．３Ｖ芯片接口。

２．３ 高速ＦＩＦＯ存儲器

高速緩存是保證高速數(shù)據(jù)不丟失的關(guān)鍵，確保了數(shù)據(jù)的真實性。同時，高速ＦＩＦＯ緩存使Ａ／Ｄ芯片不必工作在ＰＣＩ同步時鐘下，提高了Ａ／Ｄ芯片的利用率。ＩＤＴ公司的存儲器性能優(yōu)良，且同系列存儲器一般可以做到管腳級兼容，容易實現(xiàn)硬件設(shè)計的模塊化。為方便讀寫數(shù)據(jù)，選擇先進(jìn)先出式（ＦＩＦＯ）的緩沖存儲器ＩＤＴ７２０５Ｌ１５IDT7205L15。其訪問時間為１５ｎｓ，每片容量為８Ｋ×９位。支持異步讀寫，并提供諸如滿、半滿、空等用于位擴(kuò)展和深度擴(kuò)展的信號。高速數(shù)據(jù)采集卡為實現(xiàn)８位Ａ／Ｄ和３２位ＰＣＩ總線的寬度匹配，采用了位擴(kuò)展技術(shù)。為加深ＦＩＦＯ的緩沖深度，將外加ＦＩＦＯ緩存與ＰＣＩ接口芯片內(nèi)部的ＦＩＦＯ相級連。 ２．４ 基于ＣＰＬＤ的控制邏輯

基于ＣＰＬＤ的控制邏輯是高速數(shù)據(jù)采集卡的核心，它為ＰＣＩ接口芯片提供滿足時序要求的讀寫信號，同時選擇模擬信號的輸入通道、控制高壓脈沖發(fā)生邏輯并設(shè)定放大電路的增益。此外，ＣＰＬＤ還能利用高速ＦＩＦＯ緩存的空、滿標(biāo)志位，配合ＰＣＩ接口芯片實現(xiàn)ＤＭＡ寫操作，完成高速數(shù)據(jù)傳輸。Ｘｉｌｉｎｘ 公司的ＸＣ９５７２ＸＬ－ＶＱ６４XC9572XL-VQ64芯片的腳到腳延遲最大為１０ｎｓ，可滿足ＰＣＩ總線接口時序的要求。單片ＸＣ９５７２ＸＬ－ＶＱ６４能滿足焊縫缺陷自動超聲檢測系統(tǒng)邏輯控制的要求，且具有體積小、可靠性高、調(diào)試方便等突出優(yōu)點。

圖２是基于有限狀態(tài)機(jī)ＦＳＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｓｔａｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅ）方法設(shè)計的控制邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。其中，ＲＳＴ和ＩＲＱ是由ＰＣＩ接口芯片Ｓ５９３３輸出的可由程序任意控制的兩個信號，它們的高低狀態(tài)同高速ＦＩＦＯ緩存的空、滿信號一起決定了控制邏輯的六個可能的狀態(tài)，圖中以橢圓表示。計算機(jī)上電時，控制邏輯處于ＲＳＴ＝ＩＲＱ＝１的狀態(tài)。值得一提的是，ＲＳＴ和ＩＲＱ信號都有適當(dāng)?shù)纳侠娮?，所以不會出現(xiàn)高阻浮空的狀態(tài)，使控制邏輯能夠穩(wěn)定地工作。實線是控制邏輯采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線，而虛線是可能的但不采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線。在各狀態(tài)之間進(jìn)行切換是很容易的，只需通過程序使ＲＳＴ或ＩＲＱ信號出現(xiàn)高或低跳變。狀態(tài)轉(zhuǎn)移時伴隨著的電路動作見轉(zhuǎn)換線旁的注釋。