基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术为基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置及方法，该装置包括模数转换电路、FPGA、采样按键、SDRAM存储器、存储按键和显示屏，模数转换电路作为装置的模拟信号接收端，接收电磁超声信号，模数转换电路的输出端与FPGA连接，所述FPGA的输入端分别连接采样按键和存储按键，FPGA的输出端分别与显示屏和SDRAM存储器连接，显示屏用来显示特征信号波形与波形相关信息，FPGA处理后数据经存储按键存储于SDRAM存储器；所述FPGA内包括模数转换模块、数据处理模块、显示模块和存储模块。该装置体积小、成本低、功耗低，能够在复杂环境下接收高速电磁超声信号，并能对电磁超声信号进行数字处理及波形显示。

Digital processing receiving device and method of portable electromagnetic ultrasonic signal based on FPGA

The invention is a portable electromagnetic ultrasonic signal digital processing and receiving device and method based on FPGA. The device includes analog-to-digital conversion circuit, FPGA, sampling key, SDRAM memory, storage key and display screen. The analog-to-digital conversion circuit acts as the analog signal receiving terminal of the device, receives electromagnetic ultrasonic signal and transmits analog-to-digital conversion circuit. The output end of the FPGA is connected with the FPGA. The input end of the FPGA is connected with the sampling button and the storage button respectively. The output end of the FPGA is connected with the display screen and the SDRAM memory respectively. The display screen is used to display the waveform and the waveform related information of the characteristic signal. The data processed by the FPGA is stored in the SDRAM memory by the storage button. Module, data processing module, display module and storage module. The device has the advantages of small size, low cost and low power consumption. It can receive high-speed electromagnetic ultrasonic signal in complex environment, and can process the electromagnetic ultrasonic signal digitally and display the waveform.

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置及方法
本专利技术属于无损检测信号处理
，具体涉及基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置及方法。
技术介绍
在当今对于金属材质的缺陷检测方法中，电磁超声无损检测越来越起到至关重要的作用，本设计从工程实际出发，考虑到实际金属板材工作环境。电磁超声无损检测技术也存在诸多技术难题：其一，电磁超声换能器接收端存在超声信号信噪比低的特点，不利于特征信号识别；其二，对于波形实时性显示，在实际工业环境下，大多采用体型笨重工控机，不利于便携式移动；其三，电磁超声信号处理方式一般繁琐复杂，不利于工业测量实时显示波形，需要采集波形信息进一步数据处理。在文献《基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置》(仪表技术与传感器，2011(5):78-81)中，采用FPGA对接收信号预处理，主要利用FPGA进行数据的采集，经USB线将数据传递到上位机，由于上位机数据处理及分析设备体积较大且较重，不利于移动；文献《电磁超声金属板测厚信号处理方法》(自动化应用,2017,(10):42-44)中，利用RAM-5000-SNAP装置，采用PC机操控界面并用示波器采集数据，并将数据导入到MATLAB软件中，这类方法也被大多数实验室应用，处理数据繁琐，且需要设备部件较多，价格昂贵，不利于便携式设备的应用。文献《基于电磁超声导波的铝板裂纹缺陷检测方法》(仪器仪表学报,2018,39(4):150-158)中，主要是使用设备RETIC-4000，利用示波器进行数据的采集与显示，虽然示波器功能较为强大，但是对于电磁超声特征信号，示波器并无波形时刻截取，且需要操作者经一番调试，才能实现对波形的选取及显示。
技术实现思路
针对复杂环境下工业测量装置体积庞大、数据处理匮乏等问题，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置及方法。该装置体积小、成本低、功耗低，能够在复杂环境下接收高速电磁超声信号，并能对电磁超声信号进行数字处理及波形显示。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：一种基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于该装置包括模数转换电路、FPGA、采样按键、SDRAM存储器、存储按键和显示屏，模数转换电路作为装置的模拟信号接收端，接收电磁超声信号，模数转换电路的输出端与FPGA连接，所述FPGA的输入端分别连接采样按键和存储按键，FPGA的输出端分别与显示屏和SDRAM存储器连接，显示屏用来显示特征信号波形与波形相关信息，FPGA处理后数据经存储按键存储于SDRAM存储器；所述FPGA内包括模数转换模块、数据处理模块、显示模块和存储模块，所述模数转换模块的输入端分别连接采样按键、模数转换电路，模数转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块的输出端分别连接显示模块和存储模块，显示模块连接显示屏，存储模块的输出端连接SDRAM存储器，存储模块的输入端连接存储按键；所述FPGA包括主芯片，主芯片内部集成了用于存储数据的数据缓存器，用于数据运算的逻辑阵列和嵌入式乘法器，用于与模数转换电路、显示屏、SDRAM存储器、采样按键和存储按键分别连接的相应IO端口，用于驱动模数转换电路、显示屏、SDRAM存储器所需的时钟。一种基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收方法，该方法采用上述的装置，包括以下步骤：S1：在模数转换电路输入端根据所选的模拟信号电压范围，通过按下采样按键，由FPGA内部的LUT选择第一阈值，判断模数转换后的数字量是否超过第一阈值，如果超过，则由FPGA从主冲击开始采集电磁超声信号；如果没有超过则继续判断是否超过第一阈值；S2：FPGA根据采样开始指令，将电磁超声信号数据开始写入数据缓存器，等到数据填充满数据缓存器设定值，即达到数据缓存器的采样深度，第一次采样结束，进入步骤S3或步骤S4；S3：判断存储按键是否按下，如果存储按键按下，则将波形数据存入SDRAM存储器，进行数据备份；然后等待下一次采样开始，并清零数据缓存器；S4：将经步骤S2写入的电磁超声信号送入自适应滤波器，进行数字滤波处理，再将滤波后的数据传递给FFT分析模块，获取电磁超声信号频率；同时将滤波后的数据传递给特征波形时间节点模块，获取特征信号波包达到时刻；同时通过波形取样数据模块判断滤波后的超声信号是否超过第二阈值，如果超过设定的第二阈值，则将波形数据存入数据缓存器，等待数据达到取样深度，以准备在显示屏显示此段波形；S5：将S4步骤中的波形数据、电磁超声信号频率、特征信号波包到达时刻信息送入显示屏，在显示屏上显示一次采样及处理波形的结果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用一种基于FPGA高速数据采集及处理的方式对电磁超声信号进行数据处理和显示，一方面，模数转换电路具有三种电压范围的模拟量输入，可满足不同微弱信号经调理电路后的电压等级，根据不同的电压等级，可调整其不同的精度误差；另一方面，采用FPGA进行数据处理，不仅处理速度快，更容易满足电磁超声信号高频特性，并行数据处理速度快，使用FPGA实现自适应滤波器，不仅可以相应减少硬件模拟滤波器结构，更可滤除由硬件产生的噪声干扰，采用自适应结构，由机器学习根据输入信号特点自动调节数字滤波器系数滤除相应的噪声干扰；对数字信号进行FFT时域分析，可得到电磁超声特征信号所包含的频率信息；同时能够采集到特征信号波包时间节点，得到各个特征信号波包到达时刻，本专利技术利用FPGA实现的是数据的采集和处理，实现滤波器模拟电路功能，集成度高，缩小了体积，降低设备成本，避免使用工控机(工控机一般是安装在所需测量构件附近，工控机上位机软件较成熟，一般为一机一码，不利于程序的移植性，且价格昂贵，不便于测量)在工业测量过程中带来的不便，直接实现数据的可操作化、可视化，且便于携带，移植起来较方便，实现对电磁超声信号的采集、处理、显示及存储。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置一种实施例的整体结构框图；图2-1为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置一种实施例的基于FPGA的硬件连接框图；图2-2为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置一种实施例的芯片内部结构框图；图3为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置一种实施例的模数转换电路1的电路结构图；图4为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置一种实施例的基于FPGA的数据处理原理示意图；图5为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置一种实施例的基于FPGA的数据处理流程图；图6为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置进行测试的测试系统的结构示意图；图7为本专利技术基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置进行测试得到的检测波形图。图中，模数转换电路1、FPGA2、采样按键3、SDRAM存储器4、存储按键5、显示电路6、模数转换模块7、数据处理模块8、显示模块9、存储模块10、数据缓存器11、自适应滤波器12、波形取样数据模块13、FFT分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于该装置包括模数转换电路、FPGA、采样按键、SDRAM存储器、存储按键和显示屏，模数转换电路作为装置的模拟信号接收端，接收电磁超声信号，模数转换电路的输出端与FPGA连接，所述FPGA的输入端分别连接采样按键和存储按键，FPGA的输出端分别与显示屏和SDRAM存储器连接，显示屏用来显示特征信号波形与波形相关信息，FPGA处理后数据经存储按键存储于SDRAM存储器；所述FPGA内包括模数转换模块、数据处理模块、显示模块和存储模块，所述模数转换模块的输入端分别连接采样按键、模数转换电路，模数转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块的输出端分别连接显示模块和存储模块，显示模块连接显示屏，存储模块的输出端连接SDRAM存储器，存储模块的输入端连接存储按键；所述FPGA包括主芯片，主芯片内部集成了用于存储数据的数据缓存器，用于数据运算的逻辑阵列和嵌入式乘法器，用于与模数转换电路、显示屏、SDRAM存储器、采样按键和存储按键分别连接的相应IO端口，用于驱动模数转换电路、显示屏、SDRAM存储器所需的时钟。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于该装置包括模数转换电路、FPGA、采样按键、SDRAM存储器、存储按键和显示屏，模数转换电路作为装置的模拟信号接收端，接收电磁超声信号，模数转换电路的输出端与FPGA连接，所述FPGA的输入端分别连接采样按键和存储按键，FPGA的输出端分别与显示屏和SDRAM存储器连接，显示屏用来显示特征信号波形与波形相关信息，FPGA处理后数据经存储按键存储于SDRAM存储器；所述FPGA内包括模数转换模块、数据处理模块、显示模块和存储模块，所述模数转换模块的输入端分别连接采样按键、模数转换电路，模数转换模块的输出端连接数据处理模块的输入端，数据处理模块的输出端分别连接显示模块和存储模块，显示模块连接显示屏，存储模块的输出端连接SDRAM存储器，存储模块的输入端连接存储按键；所述FPGA包括主芯片，主芯片内部集成了用于存储数据的数据缓存器，用于数据运算的逻辑阵列和嵌入式乘法器，用于与模数转换电路、显示屏、SDRAM存储器、采样按键和存储按键分别连接的相应IO端口，用于驱动模数转换电路、显示屏、SDRAM存储器所需的时钟。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于，所述数据处理模块包括用于对数据进行自适应滤波的自适应滤波器、用于待显示波形的存储的波形取样数据模块、用于对波形运算提取其频率信息的FFT分析模块、用于对波形中出现的波包时间的提取的特征波形时间节点模块，自适应滤波器输入端连接数据缓存器的输出端，自适应滤波器输出端分别与波形取样数据模块、FFT分析模块和特征波形时间节点模块输入端连接，将最终结果输送给显示模块输入端。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于，所述模数转换电路为单路输入，共有三个模拟输入范围，所述模数转换电路模拟输入范围为-2.048V～+2.048V、-1.024V～+1.024V或-0.512V～+0.512V。4.根据权利要求1所述的基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于，所述显示屏外形尺寸为120mm*75mm*8mm，所述FPGA外形尺寸150mm*110mm*20mm。5.根据权利要求1所述的基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于，FPGA的主芯片型号为EP4CE6E22C8N，SDRAM存储器的型号为W9812G6KH-6，显示屏的型号为群创XC05004001Q。6.根据权利要求1所述的基于FPGA的便携式电磁超声信号数字处理接收装置，其特征在于，所述的模数转换电路包括滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4、滤波电容C5、滤波电容C6、滤波电容C7、接地电阻R1、接地电阻R2、限流电阻R3、限流电阻R4、抗干扰电阻R5、抗干扰电阻R6、抗干扰电阻R7、抗干扰电阻R8、抗干扰电阻R9、抗干扰电阻R10、抗干扰电阻R11、抗干扰电阻R12、抗干扰电阻R13、抗干扰电阻R14、抗干扰电阻R15、抗干扰电阻R16、抗干扰电阻R17、选择开关JP1、选择开关JP2、选择开关JP3、选择开关JP4、选择开关JP5、选择开关JP6、选择开关JP7和集成芯片LTC1420；具体电路组成是：输入信号由BNC接线端子P1或/和接线端子P2接入，接线端子P1另一端接地，接线端子P1与接地电阻R1的一端和限流电阻R3的一端连接，接地电阻R1的另一端接地，限流电阻R3的另一端与滤波电容C1的一端和集成芯片LTC1420的+AIN脚连接；接线端子P2一端与接地电阻R2的一端、限流电阻R4的一端和选择开关JP7的一端连接，限流电阻R4的另一端与滤波电容C1的另一端和集成芯片LTC1420的-AIN脚连接；选择开关JP7的另一端接地，且与滤波电容C2的一端连接；选择开关JP7的第三端与滤波电容C2的另一端和集成芯片LTC1420的VCM脚连接，集成芯片LTC1420的SENSE脚与选择开关JP1的一端、选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘素贞，魏建，张闯，金亮，杨庆新，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12