2012年第8期
仪表技术与传赢器 Instrument Technique and Sensor
基于SOPC的管道超声导波检测系统设计
王建斌"，张轩硕2，刘兵'，王军阵"，新小强
（1.军械工程学院电气工程系，河北石家庄050003;2.驻南京地区军代室，江苏南京
210008）
2012 No.8
摘要：针对国内超声导波检测仅器相对落后的现状，提出了基于单片FPGA设计管道超声导波检测系统的方法。以 MicroBlaze软核处理器为控制核心，编写了导波发射专用DDSIP核，设计了完整的硬件平台。对uC/OSI丧入式操作系统和uC/GUI图形用户界面进行移植，完成了应用程序的开发。系统集导波发射、回波采集、分析处理、实时显示和数据
存储等功能于一身。实验表明：各功能运行正常，能方使地应用于管道超声导波检测。关键词：起声导波；MicroBlaze处理器；可编程片上系统；DDS；检测系统
中图分类号：TP274
文献标识码：A
文章编号：10021841(2012)08005303
DesignofUltrasonicGuidedWaveTestSystemforPipeBasedonSOPC
Suerboex r"uaann Nn T'onen NVZq N
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2. The Nanjing Military Representative Office,Nanjing 210008,China)
ad da oaoard o ood serad oy asisararem apen auosn o pa iapes the MicroBlaze soft core as the central processor. DDS IP was designed, devoted to excite guided wave, After hardware platform was designed,embedded operating system uC/OS II and graphical user interface uC/GUI were transplanted,and application was devel-oped. The functions of ultrasonic guided wave eradiating,echoes acquisition, data analysis,result display ,and data storage were in-cluded in the system. The experiment results show that all parts can operate normally ,and can be conveniently applied to ultrasonic guided wave inspection in pipes.
Key words: ultrasonic guided wave; MicroBlaze processor;SOPC; DDS;test system
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引言
在对管路、管道进行长距离检测，包括对埋地管道不开挖
状态下的长距离检测当中，超声导波检测技术与传统无损检测技术相比，具有高效、便捷、快速和敏感度高等特点，已成为最具发展潜力的在线无损检测技术之一()。
目前，国内对超声导波的理论研究正趋于成熟，但对超声导波检测系统的研发仍大都处于实验室阶段。北京工业大学测控技术与仪器实验室建立了一套管道导波检测系统，系统由多个分立设备组成（如任意函数发生器、示波器等），不同设备之间搭接复杂[2]。何存富等研制了基于LabVIEW的小型化导波专用检测装置，王军阵等3)设计了基于ARM+LINUX的便携式管道超声导波检测系统，为超声导波检测系统的小型化、集成化做出了重要努力。然面二者均采用高速单片机控制模数转换器激励超声导波，激励频率受到单片机频率限制，且增加了外部硬件资源。
随着FPGA芯片生产技术的快速发展，基于FPGA的片上可编程系统(SOPC)成为研究和应用的热点。它将系统主要硬件逻辑功能在芯片内部通过编程实现，节约了外部PCB资源；可以将完整的电子系统，如嵌人式处理器、系统总线、操作系统等用单片FPGA包含，大大提高了系统的灵活性、稳定性，对研发小型化、集成化超声导波检测系统具有很大优势。文中给出
收稿日期：2011-08-30收修改稿日期：2012-0525
了一种基于FPGA和MicroBlaze软核处理器，通过移植uC/OS Ⅱ操作系统和uC/CUI图形用户界面，开发管道超声导波检测系统的方法。
系统整体方案设计
系统中FPGA选用Spartan3E系列XC3S500E.该系列FP GA性价比高，有着丰富的外设接口和IV/O端口。其内部Mi-croBlaze软核处理器时钟频率可高达150MHz，能较好地满足产品的高集成化与低成本化(4)。系统选用MicroBlaze作为硬件控制核心，PLB总线提供对片上外设、外部存储器，以及自带的外设IP核和自主编写的IP核的访间，最后辅以必要的外围电路，完成管道超声导波检测系统的搭建。系统结构框图如图 1所示。主要包括导波发射模块、回波接收模块、A/D采集模块、TFT显示模块以及SD卡存储模块等。
具体工作原理为：编写的超声导波专用DDS(DirectDigital FrequencySynthesis，直接数字频率合成）IP核产生激励信号的波形幅度值，经数模转换芯片DAC902和低通滤波LPF后，生成模拟信号，再经过功率放大直接激励压电陶瓷探头，从而在管道中激发出超声导波。超声导波遇到缺陷或端面发生反射，又以回波的形式被压电陶瓷探头接收，将振动信号转化为电信号。此信号经过调理、放大后，由A/D采集电路将采集到的数字信号送交SOPC系统进行波形显示、缺陷定位、数据存储等处理。