本發(fā)明涉及一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)，屬于超聲無損檢測(cè)領(lǐng)域，可用于采集超聲導(dǎo)波信號(hào)，可以控制信號(hào)的增益大小，通過PCIe總線傳輸采樣數(shù)據(jù)控制指令。

背景技術(shù)：

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度快，檢測(cè)距離長等特點(diǎn)，在工業(yè)超聲檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)在超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)中占有重要地位。超聲導(dǎo)波在不同檢測(cè)工況條件下的采樣要求各不相同，超聲導(dǎo)波信號(hào)采集需要實(shí)現(xiàn)能夠放大超聲導(dǎo)波信號(hào)的功能，并且采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率能夠根據(jù)不同工況要求進(jìn)行改變。并且，利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)時(shí)，由于超聲導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)，頻率高，需要較高的采樣率和較快的數(shù)據(jù)傳輸方式。因此，需要一種能夠控制增益、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣長度的專用于超聲導(dǎo)波信號(hào)采集的采集系統(tǒng)，并且具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有信號(hào)增益可控，采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率可控的特點(diǎn)。該系統(tǒng)利用PCIe數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸采樣數(shù)據(jù)和控制指令，能夠控制超聲導(dǎo)波信號(hào)的增益大小和采樣頻率與采樣點(diǎn)數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下設(shè)計(jì)方案：

一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)，包括程控增益電路(1)、AD采集電路(2)、DA轉(zhuǎn)換電路(3)、控制邏輯模塊(4)和PCIe收發(fā)控制模塊(5)，程控增益電路(1)和AD采集電路(2)連接，AD采集電路(2)和控制邏輯模塊(4)連接，控制邏輯模塊(4)和PCIe收發(fā)控制模塊(5)連接，控制邏輯模塊(4)通過DA轉(zhuǎn)換電路(3)與程控增益電路(1)連接。PCIe收發(fā)控制模塊控制信號(hào)輸入端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口，PCIe收發(fā)控制模塊控制信號(hào)輸出端連接控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸入端，控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸出端和數(shù)據(jù)輸出端連接到DA轉(zhuǎn)換電路，DA轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出信號(hào)連接至程控增益電路的增益控制信號(hào)輸入端，程控增益電路的信號(hào)輸入端連接超聲導(dǎo)波傳感器，程控增益電路的信號(hào)輸出端連接AD采集電路的信號(hào)輸入端，AD采集電路的控制信號(hào)輸入端連接控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸出端，AD采集電路的數(shù)據(jù)輸出端連接控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸入端，控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸出端連接PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端，PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口。

程控增益電路包括前端跟隨電路、程控放大電路和后端跟隨電路；前端跟隨電路由OPA340芯片以及相關(guān)電阻電容組成的典型信號(hào)跟隨電路，前端跟隨電路的輸入端連接超聲導(dǎo)波傳感器，接收由超聲導(dǎo)波傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的超聲導(dǎo)波信號(hào)。前端跟隨電路的輸出端連接由AD8367芯片和相關(guān)電阻電容組成的典型程控放大電路，AD8367芯片的INPT輸入端連接前端跟隨電路的輸出端，AD8367芯片的GAIN輸入端連接DA轉(zhuǎn)換電路的模擬量輸出端，由AD8367芯片的GAIN端輸入的模擬信號(hào)幅值控制放大倍數(shù)，DA電路通過輸出模擬電壓控制放大倍數(shù)。AD8367芯片的VOUT輸出端連接后端跟隨電路。后端跟隨電路由AD8065芯片和相關(guān)電容電阻組成典型的跟隨電路。AD8065芯片的+IN端連接程控放大電路中的AD8367芯片的VOUT輸出端，跟隨經(jīng)過放大的信號(hào)，AD8065芯片的Vout輸出端輸出跟隨的信號(hào)，連接AD采集電路的模擬量輸入端。

AD采集電路包括差分轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，差分轉(zhuǎn)換電路由LMH6550芯片以及相關(guān)電阻電容組成，差分轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接程控增益電路的輸出端，將經(jīng)過增益放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路由ADC12040芯片和相關(guān)電阻電容構(gòu)成，其模擬量輸入端連接差分轉(zhuǎn)換電路的差分輸出端，ADC12040芯片的CLK輸入端連接控制邏輯模塊的采樣時(shí)鐘輸出信號(hào)，ADC12040芯片的PD端連接控制邏輯模塊的掉電控制信號(hào)，和端分別連接控制邏輯模塊的使能控制信號(hào)，ADC12040芯片的D0～D11端輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，連接控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸入端，由控制邏輯模塊控制AD采集電路工作。

DA轉(zhuǎn)換電路由MAX5102芯片和相關(guān)電阻電容組成，MAX5102芯片的D0～D7輸入端連接控制邏輯模塊的增益控制數(shù)據(jù)輸出端，MAX5102芯片的WR#輸入端連接控制邏輯模塊的增益寫控制信號(hào)，MAX5102芯片的OUTA輸出端輸出經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬電平，傳輸至程控增益電路的增益控制輸入端。

控制邏輯模塊由AD采集控制器、采集觸發(fā)控制器和程控增益控制器組成。AD采集控制器控制信號(hào)輸入端連接PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端，AD采集控制器的采樣觸發(fā)輸入端連接采集觸發(fā)控制器輸出端，PCIe收發(fā)控制模塊通過寫AD采集控制器的寄存器接口輸入控制參數(shù)。采集觸發(fā)控制器控制AD采集控制器采集觸發(fā)信號(hào)。AD采集控制器輸出采樣時(shí)鐘連接AD采集電路中ADC12040芯片的CLK時(shí)鐘輸入端，AD采集控制器輸出掉電控制信號(hào)連接AD采集電路中ADC12040芯片的PD掉電控制輸入端，AD采集控制器輸出使能信號(hào)連接AD采集電路中ADC12040芯片的使能控制輸入端。AD采集控制器的數(shù)據(jù)輸入端連接AD采集電路中ADC12040芯片的數(shù)據(jù)輸出端D0～D11。AD采集控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端。AD采集控制器根據(jù)由PCIe收發(fā)控制模塊輸入的采集控制參數(shù)，以及由采集觸發(fā)控制器輸入的采觸發(fā)信號(hào)控制信號(hào)控制AD采集電路進(jìn)行工作。AD采集控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖后輸出至PCIe收發(fā)控制模塊。

采集觸發(fā)控制器的控制信號(hào)輸入端連接PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端，采集觸發(fā)控制器的控制信號(hào)輸出端連接AD采集控制器的采集觸發(fā)信號(hào)輸入端。PCIe收發(fā)控制模塊通過寫采集觸發(fā)控制器的寄存器輸入控制參數(shù)，采集觸發(fā)控制器根據(jù)輸入的控制參數(shù)計(jì)算采集觸發(fā)間隔，并生成采集觸發(fā)信號(hào)，輸出至AD采集控制器，控制AD采集控制器工作。

程控增益控制器的控制信號(hào)輸入端連接PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端，程控增益控制器的寫控制信號(hào)輸出端連接DA轉(zhuǎn)換電路中MAX5102芯片的WR#輸入端，程控增益控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接DA轉(zhuǎn)換電路中MAX5102芯片的D0～D7輸入端。PCIe收發(fā)控制模塊通過程控增益控制器的寄存器輸入控制參數(shù)，程控增益控制器根據(jù)輸入的控制參數(shù)生成寫控制信號(hào)和DA轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，輸出至程控增益電路，控制程控增益電路工作。

PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸入端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口，PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端連接控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸入端，PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端連接控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸出端，PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸出端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口。PCIe收發(fā)控制模塊接收從所在系統(tǒng)的PCIe接口發(fā)送來的控制指令報(bào)文，解析后輸出至控制邏輯模塊，PCIe收發(fā)控制模塊接收從控制邏輯模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過組包后發(fā)送至所在系統(tǒng)的PCIe接口。

本發(fā)明所述采集系統(tǒng)的所在系統(tǒng)通過PCIe接口發(fā)送控制指令至PCIe收發(fā)控制模塊，在PCIe收發(fā)控制模塊中將控制指令進(jìn)行解析，其中指令參數(shù)包括采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、觸發(fā)頻率和增益大小，將指令參數(shù)發(fā)送至控制邏輯模塊，控制邏輯模塊中AD采集控制器、采集觸發(fā)控制器和程控增益控制器分別根據(jù)發(fā)送到各自寄存器的參數(shù)產(chǎn)生控制信號(hào)。AD采集控制器根據(jù)發(fā)送的的采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率參數(shù)產(chǎn)生控制信號(hào)，控制AD采集電路采集超聲導(dǎo)波信號(hào)。采集觸發(fā)控制器根據(jù)發(fā)送的觸發(fā)頻率參數(shù)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，控制AD采集控制器工作。程控增益控制器根據(jù)發(fā)送的增益控制參數(shù)產(chǎn)生控制信號(hào)和增益數(shù)據(jù)，控制程控增益店路進(jìn)行工作。AD采集電路工作后，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至AD采集控制器，AD采集控制器將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖后發(fā)送給PCIe收發(fā)控制模塊，PCIe收發(fā)控制模塊將數(shù)據(jù)通過PCIe接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至所在系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、超聲導(dǎo)波信號(hào)增益可控，增益倍數(shù)0dB～40dB，方便信號(hào)放大觀察；

2、超聲導(dǎo)波信號(hào)采樣長度可變，可隨設(shè)定長度變化，方便選取有效范圍內(nèi)的超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行采集；

3、超聲導(dǎo)波信號(hào)采樣頻率可變，可分別設(shè)置為40M、20M、10M、5M；

4、超聲導(dǎo)波信號(hào)采集觸發(fā)頻率可變，可隨設(shè)定觸發(fā)頻率變化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖。

圖2為本發(fā)明一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)的控制邏輯?？炜驁D。

圖3為本發(fā)明一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)的程控增益電路原理圖。

圖4為本發(fā)明一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)的AD采集電路原理圖。

圖5為本發(fā)明一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，且以下實(shí)施例只是描述性的不是限定性的，不能以此來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于FPGA的超聲導(dǎo)波信號(hào)采集系統(tǒng)，如圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖，包括程控增益電路(1)、AD采集電路(2)、DA轉(zhuǎn)換電路(3)、控制邏輯模塊(4)和PCIe收發(fā)控制模塊(5)。所述PCIe收發(fā)控制模塊控制信號(hào)輸入端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口，PCIe收發(fā)控制模塊控制信號(hào)輸出端連接控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸入端，控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸出端和數(shù)據(jù)輸出端連接到DA轉(zhuǎn)換電路，DA轉(zhuǎn)換電路的模擬輸出信號(hào)連接至程控增益電路的增益控制信號(hào)輸入端，程控增益電路的信號(hào)輸入端連接超聲導(dǎo)波傳感器，程控增益電路的信號(hào)輸出端連接AD采集電路的信號(hào)輸入端，AD采集電路的控制信號(hào)輸入端連接控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸出端，AD采集電路的數(shù)據(jù)輸出端連接控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸入端，控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸出端連接PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端，PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口。

程控增益電路包括前端跟隨電路、程控放大電路和后端跟隨電路；前端跟隨電路由OPA340芯片以及相關(guān)電阻電容組成的典型信號(hào)跟隨電路，前端跟隨電路的輸入端連接超聲導(dǎo)波傳感器，接收由超聲導(dǎo)波傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的超聲導(dǎo)波信號(hào)。前端跟隨電路的輸出端連接由AD8367芯片和相關(guān)電阻電容組成的典型程控放大電路，AD8367芯片的INPT輸入端連接前端跟隨電路的輸出端，AD8367芯片的GAIN輸入端連接DA轉(zhuǎn)換電路的模擬量輸出端，由AD8367芯片的GAIN端輸入的模擬信號(hào)幅值控制放大倍數(shù)，DA電路通過輸出模擬電壓控制放大倍數(shù)。AD8367芯片的VOUT輸出端連接后端跟隨電路。后端跟隨電路由AD8065芯片和相關(guān)電容電阻組成典型的跟隨電路。AD8065芯片的+IN端連接程控放大電路中的AD8367芯片的VOUT輸出端，跟隨經(jīng)過放大的信號(hào)，AD8065芯片的Vout輸出端輸出跟隨的信號(hào)，連接AD采集電路的模擬量輸入端。

AD采集電路包括差分轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，差分轉(zhuǎn)換電路由LMH6550芯片以及相關(guān)電阻電容組成，差分轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接程控增益電路的輸出端，將經(jīng)過增益放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路由ADC12040芯片和相關(guān)電阻電容構(gòu)成，其模擬量輸入端連接差分轉(zhuǎn)換電路的差分輸出端，ADC12040芯片的CLK輸入端連接控制邏輯模塊的采樣時(shí)鐘輸出信號(hào)，ADC12040芯片的PD端連接控制邏輯模塊的掉電控制信號(hào)，和端分別連接控制邏輯模塊的使能控制信號(hào)，ADC12040芯片的D0～D11端輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，連接控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸入端，由控制邏輯模塊控制AD采集電路工作。

DA轉(zhuǎn)換電路由MAX5102芯片和相關(guān)電阻電容組成，MAX5102芯片的D0～D7輸入端連接控制邏輯模塊的增益控制數(shù)據(jù)輸出端，MAX5102芯片的WR#輸入端連接控制邏輯模塊的增益寫控制信號(hào)，MAX5102芯片的OUTA輸出端輸出經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬電平，傳輸至程控增益電路的增益控制輸入端。

控制邏輯模塊由AD采集控制器、采集觸發(fā)控制器和程控增益控制器組成。

AD采集控制器控制信號(hào)輸入端連接PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端，AD采集控制器的采樣觸發(fā)輸入端連接采集觸發(fā)控制器輸出端，PCIe收發(fā)控制模塊通過寫AD采集控制器的寄存器接口輸入控制參數(shù)。采集觸發(fā)控制器控制AD采集控制器采集觸發(fā)信號(hào)。AD采集控制器輸出采樣時(shí)鐘連接AD采集電路中ADC12040芯片的CLK時(shí)鐘輸入端，AD采集控制器輸出掉電控制信號(hào)連接AD采集電路中ADC12040芯片的PD掉電控制輸入端，AD采集控制器輸出使能信號(hào)連接AD采集電路中ADC12040芯片的使能控制輸入端。AD采集控制器的數(shù)據(jù)輸入端連接AD采集電路中ADC12040芯片的數(shù)據(jù)輸出端D0～D11。AD采集控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端。AD采集控制器根據(jù)由PCIe收發(fā)控制模塊輸入的采集控制參數(shù)，以及由采集觸發(fā)控制器輸入的采觸發(fā)信號(hào)控制信號(hào)控制AD采集電路進(jìn)行工作。AD采集控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖后輸出至PCIe收發(fā)控制模塊。

具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)ADC12040芯片的工作時(shí)序設(shè)計(jì)AD采集控制器，其核心代碼包括采集控制狀態(tài)機(jī)、采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器以及采樣頻率生成器。采集狀態(tài)控制器包括兩種狀態(tài)：等待采集狀態(tài)和采集狀態(tài)，等待采集狀態(tài)時(shí)，輸出控制信號(hào)連接ADC12040芯片的PD掉電控制輸入端為高電平，輸出控制信號(hào)連接ADC12040芯片的使能控制輸入端為高電平，此時(shí)AD芯片不工作，不采集信號(hào)。采集狀態(tài)時(shí)，輸出控制信號(hào)連接ADC12040芯片的PD掉電控制輸入端為低電平，輸出控制信號(hào)連接ADC12040芯片的使能控制輸入端為低電平，此時(shí)AD芯片工作，開始采集數(shù)據(jù)。

采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器根據(jù)輸入的控制參數(shù)進(jìn)行采樣計(jì)數(shù)，等到計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)控制采集控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入等待采集狀態(tài)。

采樣頻率生成器主要利用四個(gè)計(jì)數(shù)器分別生成頻率為40MHz、20MHz、10MHz、5MHz的時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)輸入的控制參數(shù)輸出對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)鐘信號(hào)，輸出的采樣時(shí)鐘信號(hào)連接AD采樣電路中ADC12040芯片的CLK時(shí)鐘輸入端。

采集觸發(fā)控制器的控制信號(hào)輸入端連接PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端，采集觸發(fā)控制器的控制信號(hào)輸出端連接AD采集控制器的采集觸發(fā)信號(hào)輸入端。PCIe收發(fā)控制模塊通過寫采集觸發(fā)控制器的寄存器輸入控制參數(shù)，采集觸發(fā)控制器根據(jù)輸入的控制參數(shù)計(jì)算采集觸發(fā)間隔，并生成采集觸發(fā)信號(hào)，輸出至AD采集控制器，控制AD采集控制器工作。

具體實(shí)施時(shí)，采集觸發(fā)控制器核心為一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器根據(jù)輸入的控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號(hào)，輸出至AD采集控制器，使AD采集控制器進(jìn)入采集狀態(tài)。

程控增益控制器的控制信號(hào)輸入端連接PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端，程控增益控制器的寫控制信號(hào)輸出端連接DA轉(zhuǎn)換電路中MAX5102芯片的WR#輸入端，程控增益控制器的數(shù)據(jù)輸出端連接DA轉(zhuǎn)換電路中MAX5102芯片的D0～D7輸入端。PCIe收發(fā)控制模塊通過程控增益控制器的寄存器輸入控制參數(shù)，程控增益控制器根據(jù)輸入的控制參數(shù)生成寫控制信號(hào)和DA轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，輸出至程控增益電路，控制程控增益電路工作。

具體實(shí)施時(shí)，程控增益控制器根據(jù)DA轉(zhuǎn)換電路中MAX5102芯片的芯片操作時(shí)序進(jìn)行控制，根據(jù)輸入的增益控制參數(shù)，將增益控制字寫入MAX5102芯片的D0～D7引腳中，控制WR#引腳完成寫操作。

PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸入端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口，PCIe收發(fā)控制模塊的控制信號(hào)輸出端連接控制邏輯模塊的控制信號(hào)輸入端，PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端連接控制邏輯模塊的數(shù)據(jù)輸出端，PCIe收發(fā)控制模塊的數(shù)據(jù)輸出端連接所在系統(tǒng)的PCIe接口。PCIe收發(fā)控制模塊接收從所在系統(tǒng)的PCIe接口發(fā)送來的控制指令報(bào)文，解析后輸出至控制邏輯模塊，PCIe收發(fā)控制模塊接收從控制邏輯模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過組包后發(fā)送至所在系統(tǒng)的PCIe接口。