基于FPGA的交流电磁场检测仪的激励源设计*

胡 江，任尚坤，刘 威

(南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌 330063)



基于FPGA的交流电磁场检测仪的激励源设计*

胡 江，任尚坤，刘 威

(南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌 330063)

交流电磁场检测技术(简称ACFM)是一种基于电磁感应原理的新型无损检测技术，对于检测导电工件表面及近表面的裂纹具有独特优势。基于FPGA (现场可编程门阵列)开发平台设计激励源模块，将激励源的控制电路集成到FPGA中，减少仪器的外围电路，降低功耗。所设计的激励源模块可以通过按键控制频率的变化，适应不同的被测工件，对于交流电磁场的检测具有较高应用价值。FPGA引脚丰富、存储方便，适合仪器的现场实时检测及高空操作。根据检测需要选择激励源的波形，设计符合特种设备检测要求的激励源波形。

无损检测；交流电磁场检测；激励源；FPGA

0 引言

交流电磁场检测(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一种基于电磁感应原理的主动式电磁无损检测技术，对导电工件表面及近表面裂纹的检测具有独特的优势[1]。交流电磁场检测需要在被测工件表面感应出交变电流，当不存在缺陷时，感应电流均匀分布；存在缺陷时，缺陷对感应电流产生扰动，通过提取感应电流产生磁场的变化来确定缺陷的长度及深度等信息[2]。交流电磁场检测具有非接触、检测速度快、提离效应影响小、检测灵敏度高、可实现定量检测等特点[3]，可广泛应用于航空航天、石油化工、铁路交通和压力容器等行业，具有广阔的应用前景[4]。目前市场上的信号源模块频率变化范围小，ACFM检测中激励频率对不同深度裂纹的敏感性不同[5]，普通激励源模块的频率控制繁琐，很难满足交流电磁场检测的应用需求。

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是近年来新型的高集成度数字器件，受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎，可以满足大多数专用检测系统的设计[6]。本文以FPGA为开发平台设计频率可调的激励源模块，激励源由直接数字频率实现，合成频率适用于不同的被测材料，既可以满足交流电磁场检测系统的需求，又可以降低该系统的功耗和成本。并且FPGA的引脚丰富、存储区大，特别适合现场的实时检测系统，方便检测仪器的野外和高空操作。波形存储表可以选择正弦波、三角波、方波及锯齿波等波形，满足主动式检测仪器对激励源的需求。

1 直接数字频率合成原理

DDS或DDFS(Direct Digital Frequency Systhesis)即直接数字频率合成，原理是将信号的完整周期预先做归一化处理，采样足够的点数存储，需要输出时通过时钟频率查找存储表地址对应的幅值输出给高速DA转换器，由低通滤波器输出模拟信号[7]。典型的DDS原理如图1所示。波形存储表可以设置为正弦波、方波、三角波等波形[8]。

图1 DDS原理图

假设正弦波信号的一个周期以2N次采样存储，fclk为时钟频率，fo为合成频率，To为合成信号周期。并且假设累加器位数与地址位数相同，则控制合成频率有全采样和频率控制字采样两种方法。

1.1 全采样

时钟频率查找波形存储表的每一个地址，输出地址对应的幅值。则合成激励源的一个完整周期需要2N次查表，合成频率与时钟频率的关系如式(1)：

(1)

式中:fo为合成频率，To为合成信号周期，fclk为时钟频率，2N为采样次数。由式(1)可知所有采样点都经过查找输出幅值时，通过改变时钟频率fclk即可合成不同频率的信号。

1.2 频率控制字采样

在采样时钟频率一定时，已知波形存储表的长度不变，通过控制每次累加频率控制字的大小，改变查找表的次数，合成不同频率的信号。

(2)

将式(2)分子分母同时乘以2M可得：

(3)

根据耐奎斯特定律可知，合成频率至少需要两次时钟频率的采样，则N-M≥1。由于M≤N-1，可知合成频率的最大值为时钟频率的一半：

(4)

对于一个N位的累加器，其合成频率的范围如下：

(5)

但是设计的累加器位数与地址位数一致后，当频率控制字的值大于1时，每次周期采样都会丢失一部分波形存储表地址。如表1所示，当以1为频率控制字累加步进时，每次相位累加后的结果与地址对应；当以2为频率控制字累加步进时，一个周期的合成只能查找一半的频率地址，另外一半的地址信息丢失。并且随着频率控制字的值增加，合成信号的每个周期采样点数越来越少。

表1 合成频率采样表

为了避免将查表的地址信息丢失，在电路设计中通常增加累加器的位数，累加器在功能上可以划分为地址寄存器和相位寄存器，如表2所示，在累加器的低位中增加相位寄存器。当频率控制字的值以小于等于相位寄存器的最大值进行累加时，都会首先向地址寄存器的最低位进一，进位后的相位寄存器清零，地址寄存器的值发生变化，这样就会使地址寄存器的输出与存储表的地址一一对应，存储表的地址信息全被查找。

表2 相位累加器功能表

2 信号源的Verilog HDL编程

Verilog HDL是硬件描述语言的一种[9]，设计者需要掌握具体物理电路模型，编写设计文件，然后使用EDA工具进行仿真验证，使用自动综合工具转换到门级电路网表，最后经过布局布线生成电路。由上述内容可知，DDS系统需要设计相位累加器、频率寄存器、波形存储表及查表。为了方便控制频率控制字的变化，本文设计了独立按键来调节频率控制字。

2.1 相位累加器的设计

累加器功能上是由高8位地址寄存器和低8位相位寄存器组成，频率控制字通过频率寄存器实现，所以在FPGA中需要设计一个16位累加器和8位wire型频率寄存器。累加器Verilog代码如下：

reg [15:0] fre_cnt;

wire [7:0] fre_word;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

begin

if(!rst_n)

fre_cnt <= 16′h0;

else

fre_cnt <= fre_cnt+fre_word;

end

assign addr = fre_cnt[15:8];

2.2 波形存储表的生成

由于DA转换芯片为8位，故波形存储表的幅值位宽为8位，地址深度为256。波形存储表采用QUARTUSⅡ的波形数据生成器Mif Maker来生成。累加器的高8位输出与波形存储一一对应。正弦存储表如下所示：

DEPTH = 256;

WIDTH = 8;

ADDRESS_RADIX = HEX;

DATA_RADIX = HEX;

CONTENT

BEGIN

图2 激励源的RTL视图

0000 : 0064;

0001 : 0066;

0002 : 0069;

0003 : 006B;

……

波形存储表生成以后需要导入FPGA的存储区，在FPGA中配置对应的波形存储块，与波形生成器文件的深度和位宽保持一致。建立方法如下：

(1)在Tools工具栏下选择Mega Wizard创建新宏单元；

(2)在Memory Compiler目录下选择ROM，对其进行设置器件型号、位宽、深度相关参数；

(3)添加生成的波形存储表。

2.3 FPGA查表的设计

在上述第二步的基础上，将波形存储表导入FPGA的ROM存储块后，还需要例化ROM存储块，读取波形存储表的DA转换数据。其例化程序如下：

dacwave dacwave_inst (.address (addr),.clock (clk),.q (dac_data));

2.4 按键电路的设计

通过独立按键控制DDS的输出频率，其中sb3将频率控制字设为最小值1，sb4将频率控制字设为FF。代码如下：

always @(posedge clk or negedge rst_n)

图3 DA转换电路原理图

if(!rst_n)

fre_word_n <= 8′h1;

else

begin

if(fre_word_ctrl[0]) fre_word_n <= fre_word_n+1′b1;

if(fre_word_ctrl[1]) fre_word_n <= fre_word_n-1′b1;

if(fre_word_ctrl[2]) fre_word_n <= 8′b1;

if(fre_word_ctrl[3]) fre_word_n <= 8′b1111_1111;

end

assign fre_word=fre_word_n;

2.5 DDS模块的RTL视图

RTL级(Register-Transfer-Level)是实际电路的行为级描述，描述数据在寄存器之间的流动模型。通过RTL视图可以直观地了解设计的实际电路。基于FPGA的激励源RTL视图如图2所示。

3 外围电路的设计

基于FPGA的激励源模块主要有时钟电路、DA转换及4输入按键电路。输入端口包括时钟输入端口、复位端口、独立按键端口、DAC时钟输出端口及DAC数据输出端口。本次设计采用40 MHz晶振，AD9708进行DA转换。AD9708是电流输出型DA转换器，8位低功耗数模转换器，最高支持125 MSPS的更新速率。内置一个1.2 V片内基准电压源和基准电压控制放大器，只需要单个电阻即可设置满量程输出电流。电流输出可以直接连至一个输出电阻，以提供两路互补的单端电压输出。具体的电路设计如图3所示，注意将模拟地和数字地通过0 Ω的电阻进行连接。

根据AD9708的数据手册可得DA转换器的满量程输出电流可以通过REFIO与REFLO设置，REFLO连接至地时，使用内部参考电压1.2 V，Ioutfs如式(6)所示，电流输出如式(7)所示，电压输出如式(8)所示。

(6)

(7)

VoutA=IoutA×R3

(8)

上式中Ioutfs为满量程输出电流，VREFIO为内部参考电压，RSET为设置的电阻值，IoutA为输出电流，VoutA为输出电压。电流输出型DA转换器通常需要外接电流-电压转换电路来输出电压，一种是直接将电流输出端接负载，另外一种是接运算放大器来输出电压。DA转换器的输出阻抗比较大，所以通常采用运算放大器来输出电压。由于交流电磁场的激励线圈需要的电压和电流较大，因此还需要接功率放大器来提高驱动能力[10]。

4 激励源模块功能验证

在FPGA中设计好激励源模块后，将高速DA转换芯片的输出接到示波器上，FPGA上电后，通过独立按键可以调节合成信号源的频率，频率值可以在610 Hz～156 kHz之间变化，频率控制字每增加1，激励源频率增加610 Hz。图4为频率控制字为1时合成正弦波信号，频率为610 Hz。

图4 频率控制字为1时的正弦信号图

5 结论

本文实现了交流电磁场检测仪的激励源设计，对于不同的被测工件可以通过独立按键控制激励源的频率。激励源的波形可以通过存储表来改变，形成多样化的信号源。

激励源控制电路集成到FPGA芯片中，提高了设计灵活性，降低了开发成本及功耗。激励源的模块化设计可以方便地移植到其他检测系统，具有广泛的应用前景。

[1] 林天华,任尚坤,任吉林,等.交流电磁场检测技术应用于金属材料的仿真分析[J].无损探伤, 2009,33(2):1-4.

[2] 李兵.交流场检测仪器的研制及试验研究[D].南昌:南昌航空大学,2013.

[3] 杨理践,曹鸿威,高松巍.基于交变电磁场的钢板表面裂纹检测方法[J].仪表技术与传感器,2015(10):107-110.

[4] Ren Shangkun,Zhu Zhibin, Lin Tianhua, et al. Design for the ACFM sensor and the signal processing based on wavelet de-noise[C]. International Congress on Image and Signal Processing.IEEE,2009:1-4.

[5] 吴江,周志雄,贾登,等.交流电磁场检测激励频率的有限元模拟优化[J].无损检测,2016,38(7):1-5.

[6] 潘志浪.基于FPGA的DDS信号源的设计[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[7] 付扬.基于FPGA的信号源设计[J].工矿自动化,2016,42(7):59-62.

[8] 刘杰,何为,杨帆.基于DDS技术的可调频调幅激励源的设计[J].电力自动化设备,2012,32(11):146-149.

[9] 王媛媛.基于FPGA的数字秒表设计与实现[J].微型机与应用,2014,33(5):26-29.

[10] 夏东升,马宏忠,王行行,等. 基于DAC拟合输出的可编程交流电源设计[J].电子应用技术,2016,42(2):125-128.

Excitation sources design of alternating current field detector based on FPGA

Hu Jiang, Ren Shangkun, Liu Wei

(School of Measuring and Optical Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Alternating current field measurement (ACFM for short) is a novel nondestructive testing technology based on the principle of electromagnetic induction, which has special advantage in detecting surface and near-surface cracks. Based on development platform of FPGA, the control circuit is integrated into FPGA for designing module, which can decrease peripheral circuit of the instrument and reduce power consumption. The change of excitation frequency can be controlled by button to adapt different detective component for designing excitation sources module, which has a higher application value on ACFM. FPGA has rich pin and easy storage, and is suitable for field real-time detection and high-altitude operation. According to the selective waveform of excitation sources module, excitation sources waveform which meet the requirements of special equipment inspection can be designed.

nondestructive; alternating current field measurement; excitation sources; FPGA

国家自然科学基金(51065024)

TM930.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.008

胡江，任尚坤，刘威.基于FPGA的交流电磁场检测仪的激励源设计[J].微型机与应用，2017,36(11)：27-30.

2017-01-10)

胡江(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电磁无损检测与仪器。

任尚坤(1963-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：电磁无损检测、微分磁导率等。E-mail：renshangkun@yeah.net。

刘威(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：微分磁导率。