基于FPGA和ARM的超声波高速数据采集卡的设计

发布时间：2020-11-21 02:01

　　 我国铁路系统规模庞大,自改革开放以来,经四十余年的发展,铁路营运里程大幅度增加,由此带来的铁路维检任务日益艰巨的问题不容忽视。近年来,主管部门多次强调保证铁路运输的安全的重要性。本课题从实际需求出发,设计了一套适用于钢轨探伤的高速超声检测系统。首先,论文从超声检测的原理入手,选择脉冲反射法作为作为本系统的检测方法。其次,根据实际需要,制定系统总体方案,确定系统性能指标。从硬件和软件两个方面进行设计工作。硬件方面,设计了超声波激励模块、信号调理模块、人机交互模块、采样模块和以太网接口模块。其中信号调理模块设计了前置放大电路、程控增益电路、带通滤波电路和衰减电路的拓扑结构来调理回波信号。超声波激励模块最大能发射重复频率为3kHz的超声波,满足高速探伤对重复频率的需求,信号调理模块能够在0～80dB增益范围内实现波形调节。软件方面,利用ARM主控芯片设计了人机交互模块控制程序,利用FPGA器件XC7A100T实现了高速模数转换器驱动、数据缓存、数字滤波、数据传输等功能,65MHz的采样率使本系统能够识别更高频率的噪声信号,从硬件和软件上均对超声回波的进行滤波处理。设计了基于UDP的以太网帧通信协议,用于硬件系统和上位机软件之间的数据交互。编写了上位机界面,实现数据保存和波形显示功能。最后,本课题开发了超声数据采集系统的样机,并对硬件和软件系统分别按模块进行了测试,实验结果表明,本系统各个模块工作正常,性能指标能够达到设计要求,硬件系统和上位机通讯正常,符合设计初衷。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP274.2;TN791
【部分图文】：

西安理工大学工程硕士专业学位论文4图1-1手推式单轨探伤仪Fig.1-1TheHandPushTypeFlawDetectorforMonorail由于手推式单轨探伤仪在价格、灵敏度及灵活性等方面优势较为明显，因此被广泛地应用于钢轨伤损的检测工作之中，但也存在诸多缺点。首先，该类设备超声波发射频率低，探伤速度2~3km/h，仅支持手推作业，效率较低；其次，该类设备检出伤损仅仅依靠A型显示和B型显示，受人为因素影响较大，检验结果依赖检测人员多年的工作经验和工作态度；最后，手推式单轨探伤仪存储空间有限，难以长距离工作。随着我国铁路营运里程逐年增加，该类设备检测速度慢、效率低、消耗大量人力和物力、占轨时间长等缺点愈加明显。（2）钢轨探伤车，由欧美一些发达国家率先应用，距今已有五六十年的发展历程。检测速度从最初的20km/h~30km/h，发展到现在的70km/h~80km/h。检测速度的提升伴随着硬件、软件系统全方位的升级。在国外，钢轨探伤工作大都是以钢轨探伤车为主，手推式单轨探伤仪为辅的模式。钢轨探伤车先快速地对线路进行粗略检测，手推式单轨探伤仪对报警路段进行复检工作。我国自八十年代末起，先后从澳大利亚的GEMCO、美国的Sperry等厂商进口一些钢轨探伤车，截止2010年我国在役钢轨探伤车仅仅26台。钢轨探伤车如图1-2所示。图1-2钢轨探伤车Fig.1-2RailInspectionCar高速探伤已经成为探伤设备的未来发展方向之一，因此钢轨探伤车凭借其探伤速度快的优势在我国钢轨探伤领域占据一席之地。但结合我国国情，该类设备也存在许多局限性。

西安理工大学工程硕士专业学位论文4图1-1手推式单轨探伤仪Fig.1-1TheHandPushTypeFlawDetectorforMonorail由于手推式单轨探伤仪在价格、灵敏度及灵活性等方面优势较为明显，因此被广泛地应用于钢轨伤损的检测工作之中，但也存在诸多缺点。首先，该类设备超声波发射频率低，探伤速度2~3km/h，仅支持手推作业，效率较低；其次，该类设备检出伤损仅仅依靠A型显示和B型显示，受人为因素影响较大，检验结果依赖检测人员多年的工作经验和工作态度；最后，手推式单轨探伤仪存储空间有限，难以长距离工作。随着我国铁路营运里程逐年增加，该类设备检测速度慢、效率低、消耗大量人力和物力、占轨时间长等缺点愈加明显。（2）钢轨探伤车，由欧美一些发达国家率先应用，距今已有五六十年的发展历程。检测速度从最初的20km/h~30km/h，发展到现在的70km/h~80km/h。检测速度的提升伴随着硬件、软件系统全方位的升级。在国外，钢轨探伤工作大都是以钢轨探伤车为主，手推式单轨探伤仪为辅的模式。钢轨探伤车先快速地对线路进行粗略检测，手推式单轨探伤仪对报警路段进行复检工作。我国自八十年代末起，先后从澳大利亚的GEMCO、美国的Sperry等厂商进口一些钢轨探伤车，截止2010年我国在役钢轨探伤车仅仅26台。钢轨探伤车如图1-2所示。图1-2钢轨探伤车Fig.1-2RailInspectionCar高速探伤已经成为探伤设备的未来发展方向之一，因此钢轨探伤车凭借其探伤速度快的优势在我国钢轨探伤领域占据一席之地。但结合我国国情，该类设备也存在许多局限性。

。（3）双轨式探伤小车是近年出现的新型钢轨探伤设备，该类设备采用模块化设计，各个部分可独立拆卸和运输，采用轮式探头设计和电瓶驱动。双轨式探伤小车由中国中车集团在2015年的中国无损检测大会上正式提出，由中方和以色列的ScanMaster公司联合研制，检测系统由以方提供，中方负责双轨式探伤小车的机械结构。双轨式探伤小车在我国起步较晚，中国铁路总公司于2017年初提出《双轨式钢轨超声波探伤仪暂行技术条件》对该类设备的性能指标提出要求，其中核心指标为检测速度不小于15km/h，检测精度不大于3mm。双轨式探伤小车如图1-3所示。图1-3双轨式探伤小车Fig.1-3FlawDetectionCarforDoubleTrack双轨式探伤小车作为钢轨探伤领域的创新产品，大大提高了一线作业人员的工作效率并减轻劳动强度，具备现场复查的功能，其结合了手推式单轨探伤仪精度高和钢轨探伤车速度快的优势，可以取代钢轨探伤车和手推式单轨探伤仪的作用，符合我国铁路运输的国情。目前，国内正在研发的组织和机构主要有中国中车、合肥超科电子有限公司和汕头超声电子股份有限公司。对比各组织和机构的产品的核心性能指标可得，该类设备的探伤速度基本为15km/h，仅仅达到铁路总公司提出的《双轨式钢轨超声波探伤仪暂行技术条件》对该类设备检测速度的最低要求。限制检测速度的核心要素主要有三点。第一，硬件系统中超声波发射频率较低、采样率较低、数据处理能力不足、数据传输速度较低等原因；第二，超声波探轮对中系统的不完善；第三，高速行驶下，探伤小车的稳定性不足。因此双轨式探伤小车仍在不断的摸索之中，任重而道远。1.2.2发展趋势随着学科交叉的不断深入，多学科与超声波检测技术融合层次不断加深，以及我国铁路营运里程不断增加带来的新挑战和新要求，超声波检测设备
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本文编号：2892345