用于超声导波测温技术的数据采集系统设计

中北大学电子测试技术国防重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051

一、引言

超声测温是声学测温的一部分，它是一种利用接触测温方法来进行温度测量的新技术[1]，这种技术可以用于被测物体处于温度变化快，而且温度较高的如先进火箭、导弹等的恶劣环境中[2-3]。美国于上世纪九十年代已经将超声测温技术应用于核反应堆堆芯温度测试当中[4]，国内在此方面尚属开始阶段，华北电力大学安连锁等人成功将12kHz气体超声温度计安装于200MW机组锅炉上进行调试[5-6]。

目前国内距离用声学法实现温度场实时在线监测尚有很大差距，所以对于更高频率的细线超声测温时的信号实时采集与传输的研究显得尤为重要。本文提出了一个高速、低成本的细线超声测温数据采集系统，以较低的成本实现了较高的采集速度，并将采集数据实时传送至计算机，弥补了传统采集方案的受限于器件性能的不足。

二、超声测温原理

本文所设计的数据采集系统主要应用于细线超声测温技术[7]。由于声波在固体中传播时，声速的温度灵敏度随温度升高而增大，因此这种温度计更适于测量高温[8]。而声波在细线传播时的速度与材料的杨氏弹性模量，材料的密度有关。但由于缺少弹性模量与温度间的精确的函数关系，因此声速与温度间的关系主要靠后期实验标定系统来标定[9]。由于细线的长度已知，所以超声声速与温度间的关系就可以演化为超声在细线中的传播时间与温度的关系。

三、高速采样硬件方案

高速采样硬件方案如图1所示，超声导波测温系统主要包括脉冲发生装置，耐高温金属线（钨杆），超声接收装置（限幅、放大、模数转换电路、系统控制电路、USB接口电路以及上位机等构成）。超声接收装置核心是由FPGA构成。本文主要讨论超声导波测温技术中高速采集的关键技术与实现方法，设计A/D转换单元和FPGA逻辑控制单元。

从理论上讲，该方案是根据超声回波信号的波包宽度、频率特征来设计的，系统采用两块高速A/D转换器对同一个超声换能器的信号进行采集，两块A/D采样时钟信号相位相差90°。而采集速率取决于超声信号的频率。当超声信号的频率越高、单个超声回波波包的长度越短时，就能够在钨杆前端制作更短的节距，为更快响应速度的超声测温带来可能。

四、FPGA 时序逻辑设计

根据超声导波信号具有重复性和高频的特性，设计中采用了与相位合成技术相似的高速采集方案[10]。方案的结构框图如图2所示。

该高速数据采集方案包括两块高速A/D转换器、FPGA逻辑控制单元，USB接口电路。其工作原理是，将同一个传感器同时接入两块高速A/D转换器。当采样触发同步脉冲到来时，采样逻辑控制器即FPGA逻辑控制单元产生A/D转换器时钟信号CLKA、CLKB。两块A/D转换器在时钟信号的驱动下进行逻辑转换。转换结果由FPGA的逻辑控制下写入FPGA片上FIFO模块，并将FIFO模块中缓存的数据逐步通过USB接口电路传送至上位机。采样过程中，CLKA与CLKB的逻辑相反，即在一个周期内，两片高速A/D分别采集一次信号，相差半个周期。

1、A/D采样控制

A/D转换芯片采用8位的ADC08060高速A/D芯片，其最大采样速率为60Msps。由于更高的采样频率对电路整体设计要求十分苛刻，设计缺陷带来的采集信号毛刺等问题会对采集到的超声信号带来影响，所以设计中A/D采样系统中使用20MHz采样时钟。A/D芯片的采样时钟信号由FPGA给出。两块芯片的输入信号连接在一起，在信号输入ADC08060之前，由高速与门芯片THS3002I构成电压跟随，使得超声换能器与A/D转换芯片阻抗匹配。当开始采集超声回波信号时，逻辑控制模块发出的ADC时钟信号CLKA、CLKB信号进入，两时钟信号相位差为90°。其中单片A/D电路原理图如图3所示。

2、采样结果高速缓存

本模块是由FPGA自带的资源通过IP核生成。由A/D转换芯片采集的超声信号数据直接送入FIFO中。生成的两个FIFO模块，对两片A/D转换芯片采集的数据分别进行存储。两块FIFO的时钟信号与A/D转换芯片的时钟信号同步，做到高速缓存，位宽为8 bits，缓存深度为1024 words。由于两片FIFO分别存储两片A/D信号，而传输到USB端的信号需要合并为同一信号。这里在FPGA上读信号实现了乒乓操作，从两片FIFO上交叉逐一读出信号，即为原始信号。

在单片20MHz采样速率下，两块存储器可存储的时域信号的时间长度为：

若超声波在磁致伸缩材料中的传播速度为4900m/s，在钨中的传播速度为5700m/s，按最低速度计算，并以超声换能器所激发出的纵波在磁致伸缩材料中传输并反射为例，该容量的存储器可使用的最大材料长度为：

由于目前所使用的细线超声传感器长度远小于该长度值，因此设计的缓存器容量能够满足要求。

3、USB与FPGA通信接口

USB控制模块采用Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列的低功耗单片机CY7C68013A。它的外围接一个I2C芯片AT24LC64，用来存放固件程序。FPGA与CY7C68013A通过异步FIFO方式连接，接口时钟USB_IFCLK也由FPGA给出，时钟频率与FPGA相同。当FIFO读信号发出时，过半个周期读数据，将数据传送至上位机。

五、软件设计

本系统的上位机编程采用Visual Studio开发平台，主要包括系统初始化、USB数据读取、采样深度等数值传输模块。具有绘图、坐标偏移、设备检测、设备刷新、通道选择、采样深度设置、门前延时、触发间隔等功能。设置了单点触发和循环触发两种触发方式，同时也可以保存输入到上位机的数据，保存波形图片等功能。上位机界面如图4所示。上位机通过USB接口与单片机进行通讯，将采样深度，门前延时，通道选择，触发间隔等控制字传输至FPGA，来控制FPGA的采集模式。FPGA将采集到的数据传输至软件，软件将采样到的数据点绘图，形成超声信号波形。

六、实验过程及结果分析

实验使用直径为3mm，长度为604mm的磁致伸缩材料作为超声波导，在磁致伸缩材料上加工一个深度为1mm，轴向长度为1mm的凹槽，节距长度为300mm。给系统上电后，通过上位机设置采样深度、门前延时以及触发方式。将超声机理装置激发出的超声调节为400kHz，开始采集超声回波信号。实验共采集常温以及100℃～600℃温度范围内每个温度点三组数据，温度间隔为100℃。

图5所示为单次200℃时高速数据采集系统所采集到的超声纵波信号。第一个波包为起始声波，第二个小的信号为凹槽回波，第三个波包为端面回波。

为便于分析，对所得到的三组数据使用MATLab 进行描点分析，得到如图6所示为三组温度与延迟时间关系图。可以看出超声回波信号延迟时间随温度的升高而相应的增加，在12℃～600℃的区间内，超声回波时间与温度有较好的线性关系。但由于高温炉在100℃～1200℃之间时，不确定度为2℃，且控制精度为1℃，假设炉内温度不确定度在2℃时，超声波传播的标准传播时间可取三组数据的平均值。实际实验中高温炉的温度漂移以及没有通过精确算法对回波信号进行计时所带来的人为因素不可避免。

七、结论

文中提出了一种用于超声导波测温技术超声回波信号采集系统的设计方法，该超声回波信号采集系统能够以40Msps采样速率采集超声回波信号，满足实际检测时信号采集的要求，且采样深度、门前延时和触发方式可调，能够在超声导波测温技术中用于更高频率的超声回波信号的数据采集，可用于更高精度的超声导波测温技术当中，而上位机的数据保存与波形图保存功能使得后期的数据处理过程大大简化，提高检测效率。