基于PCI总线的四通道超声波发射和接收系统的研究

摘要

随着计算机科学与电子技术的迅速发展，数字化超声检测模块已经取代了传统的模拟超声检测模块。国外中高档超声检测模块都在向全数字化方向发展，但是国内对此类检测模块的研究水平还相对比较落后，大部分模块还是依赖于进口。此外，近年来，随着中国的高速铁路的不断建设，对钢轨、轮对等的检测显得尤其重要。结合国内数字化超声发展的现状，本文研究的主要内容是数字化超声发射接收检测模块，并与计算机实时通信，方便数据存储和传输，以到达实时检测，在线诊断的目的。
　　 基于以上所述研究目的，本文采用的总体研究思想是:
　　 1、高集成度，将超声发射和接收电路集中于一个模块之上，实现超声发射和接收数据采集卡，尽量减小板卡模块尺寸已达到便于携带，实时检测的目的。
　　 2、在线检测、该设计将采用可以与计算机通信的PCI总线传输模式，利用单晶收发一体探头将检测数据实时传递到计算机中，利用计算机强大的数据处理能力将数据联网处理、存储，使得该系统成可以成为一个大的检测系统中的一部分。
　　 根据模块的总体研究思想该模块采用的具体技术方案如下:
　　 1、将四通道发射和接收电路集成于一个PCB板上，实现系统的小型化高集成度，具体的方法是采用高集成度的回波信号处理芯片AD9271来完成超声回波信号的数据采集，这样可以有效的减少PCB尺寸，实现便携的目的。
　　 2、采用PCI总线进行数据传输，以FPGA作为中控器件，计算机作为传输终端，以便实现数据在计算机上的实时显示和在线处理。
　　 通过调试检测验证，该四通道超声发射和接收数据采集系统可以很好的采集到超声回波信号，并显示于计算机之上，同时完成数据存储，为后续信号处理提供便利。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 课题研究特点

1．3 课题研究的意义和内容

第2章 多通道超声发射和接收理论与技术

2．1 系统构架的技术分析

2．1．1 数字式超声探伤仪

2．1．2 压电换能器

2．1．3 超声发射接收系统的整体设计方案

2．2 超声发射通道的技术分析

2．2．1 超声发射波形分析

2．2．2 发射脉冲宽度设置

2．2．3 发射脉冲电压选择

2．3 接收电路解决方案

2．4 数据传输与控制模块

2．5 本章小结

第3章 超声发射接收数据采集卡的实现方案

3．1 发射电路实现方案

3．2 接收电路实现方案

3．3 FPGA控制和PCI传输

3．4 本章小结

第4章 超声发射接收数据采集卡的硬件解决方案

4．1 超声发射电路

4．2 电子开关选择

4．2．1 场效应管驱动电路

4．2．2 发射脉宽

4．3 回波信号处理模拟前端AD9271电路

4．3．1 收发隔离保护电路解决方案

4．3．2 AD9271时钟解决方案

4．3．3 TGC增益控制电路

4．3．4 SPI通信接口

4．3．5 ADC参考电压设置

4．3．6 差分信号转换电路

4．3．7 AD9271电源解决方案

4．4 FPGA控制电路

4．4．1 FPGA电源解决方案

4．4．2 FPGA配置

4．5 PCI数据传输电路

4．5．1 PCI接口芯片选择

4．5．2 PCI布线注意事项

4．6 本章小结

第5章 超声发射接收数据采集卡的软件解决方案

5．1 硬件电路程序

5．1．1 发射脉冲信号产生

5．1．2 AD9271 SPI控制和数据采集

5．1．3 PCI接口电路程序

5．2 上位机程序实现

5．3 本章小结

第6章 超声发射接收数据采集卡电路测试

6．1 发射电路测试

6．2 隔离保护电路的测试

6．3 AD9271时钟输出信号测试

6．4 AD9271串行数据输出信号

6．5 PCI数据总线读写测试

6．6 正弦波信号测试

6．7 通道切换测试

6．8 回波信号测试

6．9 本章小结

总结

1 全文总结

2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 四通道超声发射接收数据采集卡实物照片

附录2 重要Verilog HDL程序展示

攻读硕士学位期间发表论文