摘要：基于SoPC技術(shù)設(shè)計了一種專門激勵管道超聲導(dǎo)波的信號發(fā)生器。重點闡述了導(dǎo)波專用DDS IP核的設(shè)計方法。發(fā)生器以MicroBlaze軟核處理器為控制核心，單片F(xiàn)PGA輔以必要的少量外圍硬件電路，易于擴展升級。實驗結(jié)果表明，輸出的信號精度高、噪聲小、穩(wěn)定性好，頻率連續(xù)可調(diào)，可方便地應(yīng)用于管道超聲導(dǎo)波檢測。

在管道缺陷檢測當(dāng)中，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)與傳統(tǒng)無損檢測方法相比具有沿傳播路徑衰減小，傳播距離遠，引起的質(zhì)點振動能遍及構(gòu)件內(nèi)部和表面的特點，因此表現(xiàn)出更大優(yōu)勢[1]。超聲導(dǎo)波在傳播過程中存在多模態(tài)和頻散特性，若激勵源選擇不當(dāng)，導(dǎo)波發(fā)生嚴重頻散，會使回波信號變得極為復(fù)雜，不利于缺陷分析。根據(jù)導(dǎo)波頻散特性曲線可知，在50kHz～500kHz范圍內(nèi)，L(0，2)模態(tài)超聲導(dǎo)波傳播速度最快最穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生頻散。用漢寧窗調(diào)制該頻段內(nèi)一定周期數(shù)的單音頻信號，形成窄帶脈沖作為激勵源，激勵出L(0，2)模態(tài)占主導(dǎo)的超聲導(dǎo)波，可最大限度地避免頻散帶來的不利影響[2]。

目前出現(xiàn)了多種超聲導(dǎo)波激勵信號發(fā)生器設(shè)計方案。一是利用多功能函數(shù)發(fā)生器如HP33120A[3]實現(xiàn)。由于HP33120A存儲長度有限，長距離檢測時脈沖間會出現(xiàn)干擾，最高調(diào)制頻率不高[4]。二是采用單片機控制DDS芯片設(shè)計，精度較高，但定制性較弱，且一般需要兩片以上DDS芯片，成本昂貴。還有一種方法是用高速單片機控制D/A轉(zhuǎn)換芯片直接輸出信號，方便易行，然而精度較低，激勵頻率受到單片機頻率限制，而且很難做到連續(xù)可調(diào)。為了解決上述設(shè)計方案的不足，本設(shè)計在Xilinx公司FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上，以MicroBlaze軟核處理器為控制核心，借鑒直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Frequncy Synthesis)技術(shù)，給出了一種產(chǎn)生L(0，2)模態(tài)超聲導(dǎo)波激勵信號源的SoPC(System on Programmable Chip)實現(xiàn)方法。所得激勵源精度高，漢寧窗調(diào)制下的單音頻正弦波周期數(shù)可調(diào)，頻率連續(xù)可調(diào)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本系統(tǒng)以Xilinx公司Spartan 3E-Starter開發(fā)板為硬件平臺。此開發(fā)平臺外設(shè)資源較為豐富，通過增加少量的外圍設(shè)備即可實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。Spartan 3E系列FPGA是Xilinx 公司性價比最高的FPGA芯片，可較好地滿足產(chǎn)品的高集成化與低成本化[5]。其內(nèi)部MicroBlaze軟核處理器采用功能強大的32位流水線RISC結(jié)構(gòu)，包含32個32位的通用寄存器、2個32位特殊寄存器，可具有3/5級流水線。時鐘頻率高達150MHz。以IBM CoreConnect技術(shù)為基礎(chǔ)，提供了豐富的接口資源。其中PLB(處理器本地總線)總線提供對片上外設(shè)、外部存儲器以及基于硬件描述語言編寫的算法模塊的訪問 ，和其他外設(shè)IP核一起，完成嵌入式的SoPC開發(fā)。超聲導(dǎo)波激勵源的SoPC實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

FPGA實現(xiàn)所有數(shù)字電路部分。MicroBlaze軟核處理器是系統(tǒng)的控制核心，通過LMB(本地存儲器總線)訪問程序存儲空間BRAM，PLB總線掛載所需IP核。例化GPIO接口連接鍵盤，負責(zé)激勵信號的頻率設(shè)置。LCD1602用于當(dāng)前頻率值顯示。自主編寫的DDS IP為系統(tǒng)波形發(fā)生的核心，直接產(chǎn)生激勵源波形。MDM為系統(tǒng)的調(diào)試模塊，RS232用于和PC機通信或程序調(diào)試。使用Xilinx嵌入式開發(fā)套件EDK自帶的數(shù)字時鐘管理DCM(Digital Clock Manager) IP核，把50MHz輸入時鐘分頻，分別為DDS模塊和外部高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC902提供穩(wěn)定的5MHz和50MHz時鐘信號。程序通過JTAG下載到FPGA內(nèi)部的BRAM，或者片外PROM中存儲。FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過DAC902轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)過低通濾波器去噪，即可獲得高質(zhì)量的超聲導(dǎo)波激勵信號源。

2 超聲導(dǎo)波DDS IP核設(shè)計

2.1 DDS算法原理

DDS是根據(jù)采樣定理，通過查找表方法產(chǎn)生波形。通常為正弦波、余弦波、三角波或方波等。完整的DDS結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在參考時鐘的驅(qū)動下，N bit相位累加器對頻率控制字K進行相位累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應(yīng)的波形幅度值。將該值送給DAC和低通濾波器LPF，實現(xiàn)量化幅值到一個平滑信號的轉(zhuǎn)換。當(dāng)相位累加值大于2N時，相位累加器產(chǎn)生一次溢出，溢出頻率就是DDS的輸出頻率。輸出信號頻率fout可表示為：

由DDS原理可知，相位累加器的位數(shù)N決定DDS的精度。N值越大，DDS的頻率間隔?駐f就越細。但N值增加，所需ROM容量也將成指數(shù)增加。實際上在一般系統(tǒng)中，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)m是一定的，通常選取累加器的輸出位數(shù)N=m+2，即可滿足需要[6]。設(shè)計中DAC902為12bit，取累加器為14bit，調(diào)制脈沖最大幅值為212，即4096。借助Matlab，生成由漢寧窗調(diào)制10個周期正弦波的窄帶脈沖波形，如圖3所示。

本設(shè)計基于DDS技術(shù)，采用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計直接產(chǎn)生導(dǎo)波激勵波形的DDS模塊，頂層原理如圖4所示。

L(0，2)模態(tài)超聲導(dǎo)波的50kHz~500kHz頻率是指單音頻信號頻率(如圖3所示，10個周期，設(shè)單音頻率為f0)，而非DDS輸出頻率fout。由Tout=10T0，得fout=f0/10。所以DDS輸出fout應(yīng)為5kHz～50kHz。系統(tǒng)主時鐘為50MHz，在DDS輸出最高頻率為50kHz時，為實現(xiàn)0.3kHz(單音頻3kHz) 步進值，10周期窄帶脈沖取樣點數(shù)不少于100點，以減小失真，則時鐘頻率必須大于4.9MHz。將系統(tǒng)主時鐘10分頻，得到5MHz DDS時鐘頻率。頻率控制字取8bit就可滿足要求。

累加器模塊Accu對頻率控制字K累加，并將結(jié)果的低14位sum[13：0]送給下一級Reg寄存器，作為ROM地址。Accu的最高位sum[14]為判斷位。在累加過程中，當(dāng)相位sum[14]為1時，累加器清零，完成一次脈沖發(fā)射。然后通過一個計數(shù)器實現(xiàn)延時功能，使激勵脈沖每隔1ms發(fā)射一次。

ROM模塊采用ISE中ROM IP核直接定制。如果在系統(tǒng)中添加多個ROM，每個ROM中分別載入不同周期的調(diào)制脈沖，可實現(xiàn)激勵源的周期可調(diào)。借助Matlab，把圖3窄帶脈沖量化成12bit的定點波形數(shù)值，形成.coe文件并加載到ROM中。

將頻率控制字K設(shè)為23時，輸出頻率fout等于7kHz，對應(yīng)單音頻信號為70kHz。Modelsim仿真波形如圖5所示。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3.1 外設(shè)IP核掛載   

利用EDK的XPS，創(chuàng)建MicroBlaze硬件平臺。通過Base System Builder Wizard快速添加配置，如RS232、GPIO、BRAM等。對于自主編寫的DDS模塊，使用Create/Import Peripheral工具，適當(dāng)修改user logic和IPIF兩個自動生成文件，可將自己的邏輯模塊掛接在PLB總線上，無需過多關(guān)心自定義IP與PLB總線的協(xié)議和接口邏輯。在XPS中添加自帶的DCM時鐘管理模塊，為DDS IP和DAC提供精確穩(wěn)定的時鐘輸入。最后為所有外設(shè)分配地址，建立端口連接。

4 軟件設(shè)計

軟件部分在SDK中通過C語言編寫完成，主要包括初始化、GPIO口鍵盤值讀取、LCD顯示、DDS頻率字輸入和調(diào)節(jié)等。由于導(dǎo)波頻率在50kHz～500kHz，跨度較大。為方便實際檢測，設(shè)計了頻率粗調(diào)和微調(diào)功能。系統(tǒng)鍵盤包括設(shè)置鍵(Set)、粗調(diào)鍵(Adjust)、微調(diào)鍵(Fine)、確認鍵(OK)以及復(fù)位鍵(Reset)。上電后，頻率控制字K為初始值16，系統(tǒng)產(chǎn)生50kHz默認頻率激勵信號。每按一次粗調(diào)鍵(Adjust)，K值增加，分別對應(yīng)70kHz、120kHz、170kHz等基數(shù)頻率。用微調(diào)鍵(Fine)以3kHz為步進值進行細調(diào)。通過寫寄存器語句DDS_IP_mWriteReg將K值賦給DDS模塊，產(chǎn)生相應(yīng)頻率激勵信號。程序流程如圖8所示。

5 實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)上電后，在鍵盤上選擇激勵頻率值為70kHz，使用NI PCI-5102數(shù)字化儀的虛擬示波器對輸出信號進行采集和分析。捕捉到的激勵信號如圖9所示。由面板參數(shù)可知，波形最高幅值1.5V，包含10個周期單音頻信號的窄帶脈沖寬度約為0.142ms。改變鍵盤輸入，對輸出信號進行FFT頻譜分析，如表1所示。實驗結(jié)果表明，此設(shè)計產(chǎn)生的激勵信號精度高，波形純凈，性能良好，頻率連續(xù)可調(diào)，較好地滿足了設(shè)計要求。

利用SoPC技術(shù)，給出了一種新的超聲導(dǎo)波激勵信號發(fā)生器的設(shè)計方法。重點論述了導(dǎo)波專用DDS模塊的實現(xiàn)過程。把系統(tǒng)的主要功能集成在單片F(xiàn)PGA內(nèi)，減少了外圍電路，體積小，功耗低，抗干擾能力強，易于擴展和升級，有效降低了設(shè)計成本。產(chǎn)生的激勵信號精度高，穩(wěn)定性好，頻率連續(xù)可調(diào)。本設(shè)計可方便地應(yīng)用到管道超聲導(dǎo)波缺陷檢測中，并為開發(fā)小型化、集成化的導(dǎo)波檢測系統(tǒng)提供了可能。

參考文獻

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