千兆以太网在多通道超声探伤仪高速接口中的应用

桂 婧

（广东技术师范学院天河学院电气工程系 广东 广州 510663）

0 引言

自动化超声波检测系统通常包括超声波探伤仪器（一般均采用多通道以提高检测效率）、机械传动机构、记录装置三大基本部分，本文就其中的超声探伤仪部分的高速通信接口技术进行研究。

1 整机架构图与功能分析

根据实际应用需求，本系统采用8通道检测单元，系统架构见图1。

图1 多通道超声探伤系统架构图

整机系统由五个功能模块组成：

1.1 超声探头：为了更加全面的对被

检工件进行监测，需要从多个角度观察，采用多角度的探头组合，包括45度、63度、70度斜探头各2个，0度双晶1个。

1.2 收发模块

①发射采用非谐振式电路，平衡穿透力与分辨力；

②接收电路采用预放、滤波、主放大这样一个流程；

③采用低噪声高增益放大器件，增益调节范围可达114dB；

④硬件滤波电路，频带范围有0.5—20m、1—6m、3—25m三种可选；

1.3 数字信号处理与收发控制模块

①负责接收ADC送过来的射频数字信号流，经检波、抽取，然后经网络接口送给PC模块；

②根据需要，可以实现全波、+/-半波检波；

③不同的探测深度，固定的屏幕显示分辨率；

④为了避免缺陷漏判，考虑峰值保持，如此压缩过程就是一个非均匀的处理；

1.4 PC 模块；

1.5 电源模块。

2 千兆以太网的嵌入式解决方案概述

2.1 千兆以太网简介

以太网技术是当今应用广泛的网络技术，千兆以太网技术继承了以往以太网技术的许多优点，同时又具有诸多新特性，例如传输介质包括光纤和铜缆，使用8B/10B的编解码方案，采用载波扩展和分组突发技术等。正是因为具有良好的继承性和许多优秀的新特性，千兆以太网已经成为目前局域网的主流解决方案[1]。

2.2 整体设计方案

一个完整的以太网系统结构是包括用户应用程序（Ap-plication）、以太网通信协议栈（TCP/IP Stack）、以太网控制器（Ethernet LAN Controller）和以太网网络（Ethernet）四个部分[2]，该以太网控制器的总体结构设计框图如图2所示，整个系统分为MAC模块、主机接口模块和管理数据输入输出模块。其中MAC模块主要执行在全双工模式下的流量控制，MAC模块实现发送和接收功能。管理数据输入输出模块提供了标准的IEEE 802.3介质独立接口，可用于连接以太网的链路层和物理层。主机接口则提供以太网控制器与上层协议（如TCP/IP协议）之间的接口用于数据的发送、接收以及对控制器内各种寄存器的设置。

图2 基于FPGA的千兆网总体设计框图

3 关键技术分析

由于科技水平的发展，高性能多通道超声无损探伤仪需要在工作时将实时采集到的图像数据传输给PC机进行图像的处理，然而随着实时成像要求的不断提高和图像质量的不断改善，要求的数据传输速率呈现出几何级的增长趋势。同时，在采集传输数据的过程中要求数据的完整性和正确性是非常重要的，少量的数据丢失都可能无法生成正确的图像，给最终的物体探伤检测判断造成影响。所以，如何保证数据高速可靠的传输，成为超声探伤仪设计中越来越重要的问题。

本系统中，图像显示存储与操作控制均在PC机上实现，受机械传动机构的限制，要求PC机与超声检测单元相距至少6m；大容量实时数据传输速度要求达到10MB/s。

当今可用于工业环境的高速通信接口包括：PCI、PCI-E、USB3.0、蓝牙2.0、WIFI和有线网络等。但受6m距离的限制，PCI、PCI-E、USB3.0三种接口不可用；蓝牙2.0的实际稳定速度建议为10kB/s，不满足速度要求；WIFI理论速度13.5MB/s，速度达到要求，但由于工业环境比较复杂，在准确性稳定性方面存在一定的不确定性；而有线网络，尤其是千兆网络，采用TCP/IP协议速度可以达到18MB/s，且稳定可靠，是一个理想的选择。

4 总结

随着SOPC、嵌入式操作系统以及嵌入式千兆以太网技术的发展，为超声探伤仪的数据传输，提供了高效廉价的嵌入式千兆以太网解决方案。嵌入式千兆以太网使得数据传输的实时性得到保证，同时千兆以太网采用的传输介质大大提高了数据传输的稳定性，并且由于采用了通用性强的基于网络SOCKET编程的TCP／IP协议，有着很强的通用性和移植性。

［1］张旭辉，马宏伟.超声无损检测技术的现状和发展趋势.现状·趋势·战略，2002:24－26.

［2］Altera Corp.Accelerating Nios II Networking Applications，2009.

［3］Marvell Semiconductor,Inc.88E1111 Datasheet：Integrated 10/100/1000 Ultra Gigabit Ethernet Transceiver，2004.

［4］W.Richard Stevens.TCP/IP 详解（卷 1：协议）.范建华，等，译.机械工业出版社，2000.