本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲波檢測(cè)模塊，特別是一種便攜式通用多通道超聲波檢測(cè)模塊。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)外各類(lèi)超聲波多通道檢測(cè)儀器都是以一體機(jī)的形式存在，也有廠家生產(chǎn)多通道超聲檢測(cè)板卡，但是市面上所有的多通道超聲板卡用的通訊接口都是pci-e接口，在實(shí)際使用過(guò)程中也必須安裝到儀器主機(jī)內(nèi)。

對(duì)于探傷現(xiàn)場(chǎng)而言，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)探傷環(huán)境和探傷對(duì)象不一致，對(duì)于多通道數(shù)的需求也不一致。在通道數(shù)需求比較多的時(shí)候，往往一臺(tái)多通道儀器預(yù)留的通道數(shù)并不能應(yīng)對(duì)靈活多變的探傷場(chǎng)景。多臺(tái)儀器又會(huì)造成成本的大幅上升。并且現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器發(fā)生故障后，我們發(fā)現(xiàn)大量的故障表現(xiàn)為，模擬收發(fā)和數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)錯(cuò)誤，而儀器主機(jī)界面正常運(yùn)行。對(duì)于這樣故障的檢修維修依然是整機(jī)返廠拆卸維修，極容易造成探傷工期的延誤。采用的pcie接口的超聲板卡的安裝和拆卸也需要打開(kāi)機(jī)殼，并不能成為便攜式外設(shè)，也不能做到即插即用。

另一方面，為了適應(yīng)客戶(hù)的使用習(xí)慣，超聲波探傷儀器必須實(shí)現(xiàn)在各類(lèi)操作系統(tǒng)中的應(yīng)用。操作系統(tǒng)的不同，導(dǎo)致選取的核心處理的平臺(tái)不一樣，比如x86平臺(tái)，x64平臺(tái)，arm平臺(tái)，手機(jī)客戶(hù)端。靈活多變的平臺(tái)需求下，一體機(jī)的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的pci-e接口的超聲板卡顯然已經(jīng)不能適應(yīng)快速開(kāi)發(fā)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種便攜式通用多通道超聲波檢測(cè)模塊。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種便攜式通用多通道超聲波檢測(cè)模塊，其特征在于：包含fpga、多路選通開(kāi)關(guān)、mos驅(qū)動(dòng)電路、高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器、接收通道選擇、帶通濾波、電壓控制增益放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、dac電壓和usb3.0芯片，fpga通過(guò)usb3.0芯片與上位機(jī)連接，fpga、多路選通開(kāi)關(guān)、mos驅(qū)動(dòng)電路、高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器、接受通道選擇、帶通濾波、電壓控制增益放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器依次串聯(lián)，dac電壓分別與fpga和電壓控制增益放大器連接，接受通道選擇的控制端與fpga連接，過(guò)壓隔離保護(hù)與探頭連接。

進(jìn)一步地，所述多路選通開(kāi)關(guān)和mos驅(qū)動(dòng)電路包含3選8譯碼器u6和mos管驅(qū)動(dòng)芯片u3、u30、u40、u41，3選8譯碼器u6的1、2、3、6腳與fpga連接，3選8譯碼器u6的4、5、8腳接地，3選8譯碼器u6的14、15腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u3的4腳和2腳，3選8譯碼器u6的12、13腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u30的4腳和2腳，3選8譯碼器u6的10、11腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u40的4腳和2腳，3選8譯碼器u6的7、9腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u41的4腳和2腳，3選8譯碼器u3、u30、u40、u41的6腳均連接驅(qū)動(dòng)電壓vcc_mos_drv，3選8譯碼器u3、u30、u40、u41的3腳接地，3選8譯碼器u3、u30、u40、u41的5、7腳輸出與高壓mos管連接。

進(jìn)一步地，所述mos管驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為ucc27323dgn。

進(jìn)一步地，所述高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器包含mos管q1、射頻口p1、p2和兩個(gè)前置放大芯片u1、u2，高壓mos管q1的d極與二極管d3陽(yáng)極、電阻r5一端、電容c1一端連接，二極管d3陰極和電阻r5另一端連接高壓400v直流信號(hào)hv400,高壓mos管q1的g極連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)mos_trig,電容c1另一端與二極管d6陽(yáng)極、二極管d4陰極連接，二極管d4陽(yáng)極與共陽(yáng)穩(wěn)壓二極管d5陽(yáng)極連接，共陽(yáng)穩(wěn)壓二極管d5陰極與電阻r9一端、射頻口p1內(nèi)芯、null電阻p3一端連接，mos管q1的s極、二極管d6陰極、電阻r9另一端和射頻口p1、p2外芯接地，null電阻p3另一端與射頻口p2內(nèi)芯、電阻r4一端、電阻r11一端連接，電阻r4另一端與二極管d1陽(yáng)極、二極管d2陰極、電阻r6一端、前置放大芯片u1的3腳連接，電阻r6另一端接地，電阻r1一端、二極管d1陰極、二極管d2陽(yáng)極接地，電阻r1另一端和電阻r2一端與前置放大芯片u1的2腳連接，前置放大芯片u1的7腳和4腳分別連接直流電壓vpa+5v和vpa-5v，電阻r2另一端連接前置放大芯片u1的1腳，前置放大芯片u1的6腳與電阻r3一端連接；電阻r11另一端與二極管d7陽(yáng)極、二極管d8陰極、電阻r12一端、前置放大芯片u2的3腳連接，電阻r12另一端接地，電阻r7一端、二極管d7陰極、二極管d8陽(yáng)極接地，電阻r7另一端和電阻r8一端與前置放大芯片u2的2腳連接，前置放大芯片u2的7腳和4腳分別連接直流電壓vpa+5v和vpa-5v，電阻r8另一端連接前置放大芯片u2的1腳，前置放大芯片u2的6腳與電阻r10一端連接。

進(jìn)一步地，所述前置放大芯片u1、u2的芯片型號(hào)為ad8099。

進(jìn)一步地，所述接收通道選擇采用16選1模擬開(kāi)關(guān)芯片u9。

進(jìn)一步地，所述usb3.0芯片的所有數(shù)字接口與fpga連接，數(shù)字接口包含13根通用輸入輸出接口、32根數(shù)據(jù)線、13根控制線、4根i2s信號(hào)線、4根uart線。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：

1、跨平臺(tái)兼容

由于幾乎所有的上位機(jī)平臺(tái)都支持usb接口，不僅是pcx86平臺(tái)或x64平臺(tái)下開(kāi)發(fā)上位機(jī)；而且嵌入式平臺(tái)操作系統(tǒng)下也支持usb接口，比如wince，linux,android等。該檢測(cè)模塊已經(jīng)在多個(gè)操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)應(yīng)用。

2、高度集成化

采用當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)和成熟的集成電路技術(shù)，如usb3.0、fpga和高速緩存等技術(shù)，不僅大提高了儀器的技術(shù)性能、工作速度和穩(wěn)定可靠性，還降低了功耗，減小了體積和重量。

3、多通道及多模塊擴(kuò)展

單模塊自身支持8個(gè)物理通道的切換，由于采用了通用usb接口，在更多通道數(shù)的應(yīng)用需求上，我們可以通過(guò)多模塊并行接入上位機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)更多通道的擴(kuò)展，多模塊并行采集數(shù)據(jù)的上位機(jī)應(yīng)用已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。

4、低噪聲設(shè)計(jì)

完善的電路設(shè)計(jì)，解決了噪聲干擾問(wèn)題，使儀器的靈敏度余量大增加。

5、人工智能技術(shù)

fpga內(nèi)置人工智能信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)儀器和探頭檢驗(yàn)自動(dòng)化、波峰自動(dòng)跟蹤和缺陷位置、大小和當(dāng)量自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

6、設(shè)計(jì)和制造模塊化

采用模塊化設(shè)計(jì)，板卡的升級(jí)和生產(chǎn)方便、可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種便攜式通用多通道超聲波檢測(cè)模塊的模塊連接圖。

圖2是本發(fā)明的多路選通開(kāi)關(guān)和mos驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。

圖3是本發(fā)明的高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器的電路圖。

圖4是本發(fā)明的接收通道選擇的電路圖。

圖5是本發(fā)明的usb3.0芯片的電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。

如圖所示，本發(fā)明的一種便攜式通用多通道超聲波檢測(cè)模塊，包含fpga、多路選通開(kāi)關(guān)、mos驅(qū)動(dòng)電路、高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器、接收通道選擇、帶通濾波、電壓控制增益放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、dac電壓和usb3.0芯片，fpga通過(guò)usb3.0芯片與上位機(jī)連接，fpga、多路選通開(kāi)關(guān)、mos驅(qū)動(dòng)電路、高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器、接受通道選擇、帶通濾波、電壓控制增益放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器依次串聯(lián)，dac電壓分別與fpga和電壓控制增益放大器連接，接受通道選擇的控制端與fpga連接，過(guò)壓隔離保護(hù)與探頭連接。

本發(fā)明以xilinx公司提供的超大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(簡(jiǎn)稱(chēng)fpga)為數(shù)據(jù)處理和控制核心，完成超聲波信號(hào)檢測(cè)功能電路與數(shù)字處理功能電路實(shí)現(xiàn)。超聲波信號(hào)檢測(cè)部分由fpga選通發(fā)射通道，激發(fā)高壓負(fù)脈沖通過(guò)過(guò)壓隔離保護(hù)器激發(fā)超聲換能器，產(chǎn)生超聲波進(jìn)檢測(cè)物體，超聲波遇障礙產(chǎn)生回波，回波回到超聲換能器，進(jìn)行到儀器接收端，此時(shí)再通過(guò)fpga選通指定的接收通道，將回波信號(hào)通過(guò)濾波，放大處理后，進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器通過(guò)fpga產(chǎn)生的采集時(shí)鐘，將前端放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，采集進(jìn)fpga。fpga進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定可靠的數(shù)字信號(hào)后，將數(shù)字信號(hào)打包傳至usb3.0芯片。usb3.0芯片通過(guò)通用usb數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)平臺(tái)。上位機(jī)平臺(tái)對(duì)usb多通道采集模塊的控制設(shè)置參數(shù)，也通過(guò)usb3.0芯片下行至fpga，由fpga讀取之后對(duì)采集模塊進(jìn)行控制設(shè)置。

多路選通開(kāi)關(guān)和mos驅(qū)動(dòng)電路包含3選8譯碼器u6和mos管驅(qū)動(dòng)芯片u3、u30、u40、u41，3選8譯碼器u6的1、2、3、6腳與fpga連接，3選8譯碼器u6的4、5、8腳接地，3選8譯碼器u6的14、15腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u3的4腳和2腳，3選8譯碼器u6的12、13腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u30的4腳和2腳，3選8譯碼器u6的10、11腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u40的4腳和2腳，3選8譯碼器u6的7、9腳分別連接mos管驅(qū)動(dòng)芯片u41的4腳和2腳，3選8譯碼器u3、u30、u40、u41的6腳均連接驅(qū)動(dòng)電壓vcc_mos_drv，3選8譯碼器u3、u30、u40、u41的3腳接地，3選8譯碼器u3、u30、u40、u41的5、7腳輸出與高壓mos管連接。mos管驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為ucc27323dgn。

該電路實(shí)現(xiàn)了發(fā)射通道選通。使得被選通的發(fā)射通道能夠發(fā)出方波信號(hào)。u6是一片3選8譯碼器，其輸入信號(hào)trig_sel[0]\trig_sel[1]\trig_sel[2]\tx_trig來(lái)自于fpga，輸出信號(hào)為ntrig_tr1~ntrig_tr8，fpga通過(guò)trig_sel[0]，trig_sel[1]，trig_sel[2]這3路信號(hào)選擇u6輸出通道ntrig_trn（n為1~8）。此時(shí)如果fpga通過(guò)tx_trig輸出方波信號(hào)，則ntrig_trn輸出方波信號(hào)。ntrig_trn后續(xù)通過(guò)mos管驅(qū)動(dòng)芯片ucc27323dgn輸出波幅達(dá)到10v的方波信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)大功率mos管的方波信號(hào)輸出為mos_trig[1]~mos_trig[8]。舉例：如果此時(shí)trig_sel[2-0]=3，則mos_trig[4]輸出方波信號(hào)。

高壓mos管、過(guò)壓隔離保護(hù)、前置放大器包含mos管q1、射頻口p1、p2和兩個(gè)前置放大芯片u1、u2，高壓mos管q1的d極與二極管d3陽(yáng)極、電阻r5一端、電容c1一端連接，二極管d3陰極和電阻r5另一端連接高壓400v直流信號(hào)hv400,高壓mos管q1的g極連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)mos_trig,電容c1另一端與二極管d6陽(yáng)極、二極管d4陰極連接，二極管d4陽(yáng)極與共陽(yáng)穩(wěn)壓二極管d5陽(yáng)極連接，共陽(yáng)穩(wěn)壓二極管d5陰極與電阻r9一端、射頻口p1內(nèi)芯、null電阻p3一端連接，mos管q1的s極、二極管d6陰極、電阻r9另一端和射頻口p1、p2外芯接地，null電阻p3另一端與射頻口p2內(nèi)芯、電阻r4一端、電阻r11一端連接，電阻r4另一端與二極管d1陽(yáng)極、二極管d2陰極、電阻r6一端、前置放大芯片u1的3腳連接，電阻r6另一端接地，電阻r1一端、二極管d1陰極、二極管d2陽(yáng)極接地，電阻r1另一端和電阻r2一端與前置放大芯片u1的2腳連接，前置放大芯片u1的7腳和4腳分別連接直流電壓vpa+5v和vpa-5v，電阻r2另一端連接前置放大芯片u1的1腳，前置放大芯片u1的6腳與電阻r3一端連接；電阻r11另一端與二極管d7陽(yáng)極、二極管d8陰極、電阻r12一端、前置放大芯片u2的3腳連接，電阻r12另一端接地，電阻r7一端、二極管d7陰極、二極管d8陽(yáng)極接地，電阻r7另一端和電阻r8一端與前置放大芯片u2的2腳連接，前置放大芯片u2的7腳和4腳分別連接直流電壓vpa+5v和vpa-5v，電阻r8另一端連接前置放大芯片u2的1腳，前置放大芯片u2的6腳與電阻r10一端連接。前置放大芯片u1、u2的芯片型號(hào)為ad8099。

該電路實(shí)現(xiàn)了單路發(fā)射及接收前放功能。電路輸入mos_trig信號(hào)來(lái)自于圖2中的輸出，hv400為高壓400v直流信號(hào)，來(lái)自于另外的高壓生成電路（這里不贅述）。mos_trig信號(hào)驅(qū)動(dòng)mos管q1，進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，配合電容c1，電阻r5生成負(fù)方波高壓信號(hào)，通過(guò)射頻口,p1發(fā)射激發(fā)前端的探頭產(chǎn)生超聲波。超聲波通過(guò)檢測(cè)物體，返回回波信號(hào)后，進(jìn)入射頻口p2。此時(shí)回波信號(hào)通過(guò)正反接二極管限幅后，同事進(jìn)入兩個(gè)前置放大芯片（兩個(gè)前置放大芯片放大倍數(shù)不一樣，可供選擇）進(jìn)行前置放大。輸出信號(hào)為preamp_n和preamp_p，可供后續(xù)選通。

接收通道選擇采用16選1模擬開(kāi)關(guān)芯片u9。該電路輸入信號(hào)preamp_n[1-8]和preamp_p[1-8]來(lái)自于圖3中的輸出，此外該電路輸入信號(hào)還有rev_sel[0]-rev_sel[3]，來(lái)自于fpga，用于選擇16路輸入信號(hào)的其中一路，作為pre_out信號(hào)從u9輸出。舉例：如圖所示，如果rev_sel[3-0]=9,則u9的s9打開(kāi)，將輸入s9的信號(hào)從d輸出。即pre_out信號(hào)為前端的preamp_n5。

usb3.0芯片的所有數(shù)字接口與fpga連接，數(shù)字接口包含13根通用輸入輸出接口、32根數(shù)據(jù)線、13根控制線、4根i2s信號(hào)線、4根uart線。

usb3.0通訊部分的電路實(shí)現(xiàn)，分為三個(gè)部分：fpga控制、flash配置、usb3.0芯片處理數(shù)據(jù)協(xié)議。為了充分發(fā)揮usb3.0芯片的特性，本發(fā)明將usb3.0芯片的所有數(shù)字接口與fpga連接，包括13根通用輸入輸出接口（usb_gpio[12:0]）、32根數(shù)據(jù)線（usb_dq[31:0]），13根控制線usb_ctl[12:0]、4根i2s信號(hào)線（usb_i2s[3:0]）、4根uart線（usb_uart_tx、usb_uart_rx、usb_uart_rts、usb_uart_cts）等。

usb3.0芯片的固件配置由一片spi接口的flash進(jìn)行。flash與usb3.0芯片的接口為片選信號(hào)cs，時(shí)鐘信號(hào)sclk，主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線miso、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線mosi。為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸，最大化的利用usb3.0的傳輸帶寬，fpga片內(nèi)用硬件描述語(yǔ)言例化了兩片dpram（雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），其中一片用于fpga向上位機(jī)上傳前端的采集數(shù)據(jù)，另一片用于上位機(jī)向下傳遞收發(fā)采集模塊的設(shè)置參數(shù)。fpga里對(duì)前端接收信號(hào)進(jìn)行處理后，快速存儲(chǔ)到上行數(shù)據(jù)的dpram中。該dpram同時(shí)將存儲(chǔ)在指定位置的數(shù)據(jù)輸出到usb3.0芯片。usb3.0芯片將上位機(jī)的設(shè)置參數(shù)作為下行數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到fpga下行數(shù)據(jù)的dpram中，fpga內(nèi)部程序會(huì)讀取到指定位置的下行數(shù)據(jù)，根據(jù)下行數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)usb多通道板的收發(fā)采集模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

本說(shuō)明書(shū)中所描述的以上內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明所作的舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容或者超越本權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。