基于SoPC的超声导波激励信号发生器设计

摘  要:  关键词： SoPC； MicroBlaze； DDS； 超声导波； 激励信号
       在管道缺陷检测当中，超声导波检测技术与传统无损检测方法相比具有沿传播路径衰减小,传播距离远,引起的质点振动能遍及构件内部和表面的特点，因此表现出更大优势[1]。超声导波在传播过程中存在多模态和频散特性，若激励源选择不当,导波发生严重频散，会使回波信号变得极为复杂，不利于缺陷分析。根据导波频散特性曲线可知，在50 kHz～500 kHz范围内，L(0,2)模态超声导波传播速度最快最稳定，几乎不发生频散。用汉宁窗调制该频段内一定周期数的单音频信号，形成窄带脉冲作为激励源，激励出L(0,2)模态占主导的超声导波,可最大限度地避免频散带来的不利影响[2]。
     目前出现了多种超声导波激励信号发生器设计方案。一是利用多功能函数发生器如HP33120A[3]实现。由于HP33120A存储长度有限,长距离检测时脉冲间会出现干扰,最高调制频率不高[4]。二是采用单片机控制DDS芯片设计，精度较高，但定制性较弱，且一般需要两片以上DDS芯片，成本昂贵。还有一种方法是用高速单片机控制D/A转换芯片直接输出信号，方便易行，然而精度较低，激励频率受到单片机频率限制，而且很难做到连续可调。为了解决上述设计方案的不足，本设计在Xilinx公司FPGA(现场可编程门阵列)上，以MicroBlaze软核处理器为控制核心，借鉴直接数字频率合成DDS(Direct Digital Frequncy Synthesis)技术，给出了一种产生L(0,2)模态超声导波激励信号源的SoPC(System on Programmable Chip)实现方法。所得激励源精度高，汉宁窗调制下的单音频正弦波周期数可调，频率连续可调。
1系统整体方案设计
     本系统以Xilinx公司Spartan 3E-Starter开发板为硬件平台。此开发平台外设资源较为丰富，通过增加少量的外围设备即可实现系统设计。Spartan 3E系列FPGA是Xilinx 公司性价比最高的FPGA芯片，可较好地满足产品的高集成化与低成本化[5]。其内部MicroBlaze软核处理器采用功能强大的32位流水线RISC结构，包含32个32位的通用寄存器、2个32位特殊寄存器,可具有3/5级流水线。时钟频率高达150 MHz。以IBM CoreConnect技术为基础，提供了丰富的接口资源。其中PLB(处理器本地总线)总线提供对片上外设、外部存储器以及基于硬件描述语言编写的算法模块的访问 ,和其他外设IP核一起,完成嵌入式的SoPC开发。超声导波激励源的SoPC实现结构如图1所示。
   
       FPGA实现所有数字电路部分。MicroBlaze软核处理器是系统的控制核心，通过LMB(本地存储器总线)访问程序存储空间BRAM，PLB总线挂载所需IP核。例化GPIO接口连接键盘，负责激励信号的频率设置。LCD1602用于当前频率值显示。自主编写的DDS IP为系统波形发生的核心，直接产生激励源波形。MDM为系统的调试模块，RS232用于和PC机通信或程序调试。使用Xilinx嵌入式开发套件EDK自带的数字时钟管理DCM(Digital Clock Manager) IP核，把50 MHz输入时钟分频，分别为DDS模块和外部高速数模转换芯片DAC902提供稳定的5 MHz和50 MHz时钟信号。程序通过JTAG下载到FPGA内部的BRAM，或者片外PROM中存储。FPGA产生的数字信号经过DAC902转换为模拟信号，再经过低通滤波器去噪，即可获得高质量的超声导波激励信号源。