本发明专利技术公开了一种基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统，该超声脉冲收发系统使用FPGA作为控制芯片，VerilogHDL语言进行芯片硬件程序编写，PC工控机与核心控制器的数传递采用PCI总线，系统包括超声激励模块、接收模块、高压保护模块、电源模块以及控制模块，其中接收模块包括一级放大电路、可选低通滤波电路、时间增益补偿电路和可选高通滤波电路。本发明专利技术是一套功能相对完整的超声脉冲收发系统，其功能良好，性能稳定，功耗低，成本合理，有着较为广泛的应用场合和发展空间。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超声检测领域，尤其涉及一种基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统，该系统功能良好，性能稳定，功耗低，成本合理，在钢铁工业，石油化工，航空航天，铁路船舶，高压容器，医疗透视等领域有着较为广泛的应用场合和发展空间。
技术介绍
超声无损检测作为无损检测技术的主要组成部分之一在生产过程中占有极其重要的地位。与日常听得到的声音相比，超声具有能量高、指向性好能量集中、检测灵敏度高等特点，而被运用到检测领域。与X射线法等无损检测方法相比，超声检测成本低廉、效率高、穿透性好、使用灵活方便以及对人体无害等优势。超声检测系统的基础部分也是其核心部分之一就是超声收发仪。超声收发仪性能的提升伴随着超声检测技术的发展。超声收发仪的性能好坏直接影响到检测的可靠性和可信度。超声检测广泛的应用范围，比如超声探伤、超声显微、声发射技术、超声测厚以及超声测量材料应力或弹性模量等都是超声收发仪技术与测试技术、信号处理技术、机械运动控制技术及计算机成像等技术结合的产物。我国无损检测技术及超声收发仪器的开发都已经取得了较为卓越的进展，已在工业生产中得到了广泛的应用较快的发展并发挥着重要的作用。在超声无损检测领域，我国已经制订了一系列标准，并参照了一些国际标准，逐步开始与国际标准接轨。但就精度和可靠性方面，与发达国家之间差距还有不少。存在的问题如：检测人员技术掌握程度欠足，检测的理论体系和特殊领域的检测方法还有待完善，而且受制于机械与电子电器等各方面水平的约束，也限制了检测系统的精度和可靠性的进一步提升。现今市场上广泛存在的超声收发系统已经极大程度上满足了许多检测场合的需求，但成型的超声收发仪产品毕竟已经成型，修改起来十分不易，对于一些特殊领域的要求的可塑性不够，而且现有的高性能产品依然保持至高昂的售价，这也制约了一些场合的使用。对于院校及科研院所来说，收发系统厂家严格的技术保密措施使得仪器很难直接满足要求，其核心技术也是作为高端产品封闭处理的，用户也难以接触，不利于收发系统的进一步升级和改造。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于，提供一种基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统，该系统功能良好、性能稳定、功耗低、成本合理、拓展性好、适用范围广，满足工业检测的特殊领域的需求，为客户提供硬件程序重新配置接口和用户自主开发所用到的DLL编程接口。为了实现上述任务，本专利技术采用如下的技术解决方案：一种基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统，其特征在于，包括控制模块、电源模块、超声激励模块、保护电路模块、接收模块以及换能器探头；所述的控制模块包括PC工控机、PCI接口电路以及核心控制器，该核心控制器选用EP1C12Q240C8N型FPGA作为数字信号控制芯片，实现逻辑控制、产生数字控制信号、协调其他功能模块工作，该PCI接口电路选用PCI9054作为开发所用的接口芯片完成PC工控机与核心控制器的数据通讯；所述电源模块为系统各功能电路提供电源供电，其输入来源于工控机PCI插槽，该电源模块采用LMS1578系列线性稳压芯片完成+3.3V和+1.5V的电源转换，同时采用ADM8660型开关电容式变换器完成-5V电源的转换；所述的超声激励模块包括高压电源单元和脉冲发射单元，该高压电源单元将输入的直流12V转换为幅值为100V、150V、200V和250V的可调高输出激励电压，该脉冲发射单元在核心控制器的控制下产生正负高压窄矩形波脉冲激励超声探头产生相应频率的超声波；所述的保护电路模块接在高压脉冲与探头之间，用于隔离系统的高压脉冲，该保护电路模块选择带并联限位的桥式保护电路；所述的接收模块包括一级放大单元、可选低通滤波单元、时间增益补偿单元以及可选高通滤波单元，微小超声回波信号由换能器探头转换成电信号，电信号通过接收模块处理转换为数字信号，转换后的数字信号在核心控制器中进行数字处理，如数字滤波、频谱分析等。该基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统中，所述超声激励模块包括正高压电源电路和负高压电源电路；该高压电源单元采用直流升压方案完成+300V和-300V的电源转换，该高压电源单元选用HV9113型PWM控制器作为主控芯片。该基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统中，所述一级放大单元采用基于AD8331芯片的可变增益电路；所述时间增益补偿单元采用AD9762型数模转换器；所述可选低通滤波单元基于ADG704型选通切换器设计，同时在滤波器前端与后端使用电压跟随器；所述可选高通滤波单元采用四阶归一化巴特沃斯高通滤波器。本专利技术的有益效果是：本专利技术设计了一款基于FPGA控制的超声脉冲收发装置，其核心部分是FPGA控制的脉冲收发电路板，它主要包含高压电源转换电路，脉冲发射电路，接受保护电路，放大电路，滤波电路，时间增益补偿电路，FPGA的逻辑控制电路，D/A转换电路和PCI总线接口电路。FPGA是整个电路的时序及逻辑控制和数字信号处理的核心模块。FPGA通过控制脉冲发射电路，产生正负高压窄矩形波脉冲激励超声探头产生相应频率的超声波。高压脉冲可以被保护电路隔离，而由探头接收到的微小的超声回波信号转换的电信号则可通过，传输至回波信号处理电路中。超声回波经过一系列的处理，如前置放大、滤波、时间增益补偿和数模转换等。转换后的数字信号在FPGA中进行数字信号处理，如数字滤波，频谱分析等。上位机通过PCI总线桥接芯片PCI9054与连接到PCI总线FPGA进行通信，并通过总线驱动程序，对PCI总线进行读写控制，从而实现上位机对超声检测电路控制。该专利技术实现了12V升高压250V的输出四级可调的高效率DC/DC开关电源，为高压脉冲的发射提供了稳定的电压；同时开发了低成本高性能的高压负脉冲发射电路，脉冲宽度和重复频率可连续设置，最高激励频率达10MHz；系统中低损耗高通频带的高压保护电路，隔离了高压脉冲端与接收放大电路的直接连接；系统的接收模块可设置固定增益和自动时间增益补偿功能，都可通过用户使用程序直接进行设置，其中四组低通滤波器和四组高通滤波器可根据用户需求任意组合；系统还具有脉冲的外触发功能，可以适用到于收发卡同步触发或是编码器外触发方式。最后，为用户二次开发提供了DLL文件，便于与其他系统的集成使用。附图说明以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的解释说明。图1是脉冲收发的原理框图；图2是正高压电源原理图；图3是负高压电源原理图；图4是高压脉冲激励模块框图；图5是单极性负脉冲发射电路原理图；图6是带并联限位的桥式保护电路；图7是接收电路功能框图；图8是可变增益电路的实现电路；图9是一级控制电压的产生电路；图10是实现时间增益补偿功能的二级控制电压产生路；图11是低通滤波器原理图；图12是四阶归一化巴特沃斯低通滤波器；图13是FPGA外围编程配置电路。具体实施方式图1是脉冲收发的原理框图，其核心部分是FPGA控制的脉冲收发电路板，它主要包含高压电源转换电路，脉冲发射电路，接受保护电路，放大电路，滤波电路本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统，其特征在于，包括控制模块、电源模块、超声激励模块、保护电路模块、接收模块以及换能器探头；所述的控制模块包括PC工控机、PCI接口电路以及核心控制器，该核心控制器选用EP1C12Q240C8N型FPGA作为数字信号控制芯片，实现逻辑控制、产生数字控制信号、协调其他功能模块工作，该PCI接口电路选用PCI9054作为开发所用的接口芯片完成PC工控机与核心控制器的数据通讯；所述电源模块为系统各功能电路提供电源供电，其输入来源于工控机PCI插槽，该电源模块采用LMS1578系列线性稳压芯片完成+3.3V和+1.5V的电源转换，同时采用ADM8660型开关电容式变换器完成‑5V电源的转换；所述的超声激励模块包括高压电源单元和脉冲发射单元，该高压电源单元将输入的直流12V转换为幅值为100V、150V、200V和250V的可调高输出激励电压，该脉冲发射单元在核心控制器的控制下产生正负高压窄矩形波脉冲激励超声探头产生相应频率的超声波；所述的保护电路模块接在高压脉冲与探头之间，用于隔离系统的高压脉冲，该保护电路模块选择带并联限位的桥式保护电路；所述的接收模块包括一级放大单元、可选低通滤波单元、时间增益补偿单元以及可选高通滤波单元，微小超声回波信号由所述换能器探头转换成电信号，电信号通过接收模块处理转换为数字信号，转换后的数字信号在核心控制器中进行数字处理，如数字滤波、频谱分析等。...
【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA控制的超声波脉冲收发系统，其特征在于，包括控制模块、电源模块、超声激励模块、保护电路模块、接收模块以及换能器探头；所述的控制模块包括PC工控机、PCI接口电路以及核心控制器，该核心控制器选用EP1C12Q240C8N型FPGA作为数字信号控制芯片，实现逻辑控制、产生数字控制信号、协调其他功能模块工作，该PCI接口电路选用PCI9054作为开发所用的接口芯片完成PC工控机与核心控制器的数据通讯；所述电源模块为系统各功能电路提供电源供电，其输入来源于工控机PCI插槽，该电源模块采用LMS1578系列线性稳压芯片完成+3.3V和+1.5V的电源转换，同时采用ADM8660型开关电容式变换器完成-5V电源的转换；所述的超声激励模块包括高压电源单元和脉冲发射单元，该高压电源单元将输入的直流12V转换为幅值为100V、150V、200V和250V的可调高输出激励电压，该脉冲发射单元在核心控制器的控制下产生正负高压窄矩形波脉冲激励超声探头产生相应频率的超声波；所述的保护电路模块接在高压脉冲与探头之间，...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐云鹏，
申请(专利权)人：徐云鹏，
类型：发明
国别省市：江西;36
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