CN101067618B - 一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，包括晶体振荡器、光电编码器、数据采集控制器和n个单通道超声波采集单元。晶体振荡器用于产生振荡信号，传送给数据采集控制器；光电编码器分别与n个单通道超声波采集单元相连，在单通道超声波采集单元的带动下产生脉冲，传送给数据采集控制器；数据采集控制器接收晶体振荡器输出的振荡信号和光电编码器输出的脉冲信号，对振荡信号分频和脉冲计数，产生控制信号，传送给单通道超声波采集单元；单通道超声波采集单元接收数据采集控制器输出的控制信号，开始采集工作。本发明具有容易扩展、数据采集速度快、体积小和系统功耗低的特点。

Description

一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置

技术领域

本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，该装置尤其适用于检测混凝土、岩石等非金属介质。

背景技术

传统的超声波信号采集装置主要包括信号放大电路、模数转换电路、存储器，以及由分立器件构成的控制电路。分立器件的集成度和功能密度比较低，因此其构成的超声波采集装置的工作频率有限，采集速度受到限制。而在需要多通道采集的场合，数据吞吐量随通道数量的增加而成比例增加，分立器件构成的采集装置因此就无法胜任。受到装置的采集速度，体积，以及功耗的限制，传统超声波信号采集装置的通道扩展能力差。

超声波检测装置根据超声波换能器的高度来决定是否发射和采集超声波，而且是每隔一定的高度就发射和采集一次。也就是说超声波换能器的高度信息的判断是装置工作的关键环节。在现有的检测装置中，高度信息的判断、超声波采集和超声波处理三个部分以串行方式工作，这极大地增加了一次检测的时间，限制了检测速度。市场上现有检测装置都只有一到两个通道，在需要多个通道并行采集的场合，现有装置无法满足需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，该装置具有容易扩展、数据采集速度快、体积小和系统功耗低的特点。

本发明提供一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，包括单通道超声波采集单元A，其特征在于，该装置还包括晶体振荡器1、光电编码器2、数据采集控制器3和n-1个单通道超声波采集单元B、...、N，n为通道数量。

晶体振荡器1用于产生振荡信号，传送给数据采集控制器3；

光电编码器2分别与n个单通道超声波采集单元A、B、...、N相连，在单通道超声波采集单元A、B、...、N的带动下产生脉冲，传送给数据采集控制器3；

数据采集控制器3接收晶体振荡器1输出的振荡信号和光电编码器2输出的脉冲信号，对振荡信号分频和对脉冲计数，产生控制信号，传送给单通道超声波采集单元A、B、...、N；

单通道超声波采集单元A、B、...、N接收数据采集控制器3输出的控制信号，开始采集工作。

单通道超声波采集单元包括超声波换能器电源4，发射超声波换能器5，接收超声波换能器6，可编程增益放大器7，信号调理电路8，模数转换器9，多端口存储器10。

超声波换能器电源4接收数据采集控制器3输出的控制信号，产生高压窄脉冲，传送给发射超声波换能器5；

发射超声波换能器5接收超声波换能器电源4输出的高压窄脉冲，产生超声波，超声波经过待检测非金属介质11后，传送给接收超声波换能器6；

接收超声波换能器6接收发射超声波换能器5输出的并经过待检测非金属介质11的超声波，传送给可编程增益放大器7；

可编程增益放大器7接收数据采集控制器3输出的控制信号和接收超声波换能器6输出的超声波，根据控制信号对超声波进行放大，将放大信号传送给信号调理电路8；

信号调理电路8接收可编程增益放大器7输出的放大信号，将其转换为差分信号，传送给模数转换器9；

模数转换器9接收数据采集控制器3输出的控制信号和信号调理电路8输出的差分信号，根据控制信号对差分信号进行取样、量化和编码，转换成数字信号，传送给多端口存储器10；

多端口存储器10接收数据采集控制器3输出的控制信号，根据控制信号进行读或写操作。

数据采集控制器3包括脉冲计数模块31、高度比较模块32、激励信号产生模块33、增益选择模块34、转换时钟模块35和读写控制模块36。

脉冲计数模块31接收光电编码器2输出的脉冲，通过对脉冲进计数获得发射超声波换能器5的高度信息，传送给高度比较模块32；

高度比较模块32接收脉冲计数模块31输出的高度信息，产生启动指令，传送给激励信号产生模块33、增益选择模块34、转换时钟模块35和读写控制模块36；

激励信号产生模块33接收高度比较模块32输出的启动指令，向超声波换能器电源4输出激励信号；

增益选择模块34接收高度比较模块32输出的启动指令，向可编程增益放大器7输出增益选择信号；

转换时钟模块35接收高度比较模块32输出的启动指令和晶体振荡器1输出的振荡信号，对振荡信号进行分频，产生模数转换时钟信号，传送给模数转换器9；

读写控制模块36接收高度比较模块32输出的启动指令，向多端口存储器10输出读写控制信号。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、以数据采集控制器控制完成超声波信号的采集，由于其集成度高、功耗低、扩展能力强，可以方便扩展成多通道并行采集，提高设备的数据吞吐量。

2、由于数据采集控制器集成度高，一个芯片就可以代替很多个分立数字逻辑器件，简化设计、缩小体积和降低成本的同时，也给生产和推广带来方便。

3、数据采集控制器有保密功能，防止电路盗版，加强版权保护。

4、数据采集控制器还可以对光电编码器输出的脉冲进行计数，从而得到检测到的超声波的高度信息，并且能够自动调整高度比较阈值，实现高度信息的判读和比较，控制超声波的发射，实现由采集装置主动采集超声波。

5、采集装置能够自动控制完成超声波信号的发射和采集，从而实现超声波数据采集装置和数据处理装置能够以流水线模式工作，提高数据吞吐量，不仅做到多通道并行采集，而且提高检测效率。

附图说明

图1为本发明多通道超声波采集装置的结构示意图；

图2为数据采集控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明多通道超声波数据采集装置包括晶体振荡器1、光电编码器2、数据采集控制器3和n个单通道超声波采集单元A、B、…、N，n为通道数量，n值受到可编程逻辑器内部逻辑资源的限制，逻辑资源越多，通道数量可以越多，通常为2-8。

晶体振荡器1产生振荡信号，传送给数据采集控制器3作为工作时钟信号。

光电编码器2与分别与n个单通道超声波采集单元A、B、…、N相连，在单通道超声波采集单元A、B、…、N的带动下产生脉冲，传送给数据采集控制器3。

数据采集控制器3接收光电编码器2输出的脉冲，通过对脉冲计数获得单通道超声波采集单元A、B、…、N的高度信息，根据高度信息向n个单通道超声波采集单元A、B、…、N发出控制信号。

单通道超声波采集单元A、B、...、N包括超声波换能器电源4A、4B、…、4N，发射超声波换能器5A、5B、…、5N，接收超声波换能器6A、6B、…、6N，可编程增益放大器7A、7B、…、7N，信号调理电路8A、8B、…、8N，模数转换器9A、9B、…、9N，多端口存储器10A、10B、…、10N。为表述方便，下文中将上述各部件分别统称为超声波换能器电源4，发射超声波换能器5，接收超声波换能器6，可编程增益放大器7，信号调理电路8，模数转换器9，多端口存储器10。此外，将待检测的非金属介质11A、11B、...、11N统称为待检测非金属介质11。

超声波换能器电源4接收数据采集控制器3输出的控制信号，产生高压窄脉冲，传送给发射超声波换能器5。高压窄脉冲是幅值达几百伏特，持续时间在几十微秒的电压信号。

超声波换能器是柱状径向振动的压电陶瓷换能器。每个超声波采集单元有两个超声波换能器：一个为发射超声波换能器5，用于发射超声波；另一个为接收超声波换能器6，用于接收超声波。发射超声波换能器5与光电编码器2相连接，向光电编码器2提供滑轮旋转动能，使得光电编码器2产生脉冲。发射超声波换能器5通过待检测非金属介质11与接收超声波换能器6相连。发射超声波换能器5发射出的超声波，经过待检测的非金属介质11，传送到接收超声波换能器6。接收超声波换能器6接收到超声波后，将其传送到可编程增益放大器7。

可编程增益放大器7根据数据采集控制器3输出的控制信号，对接收超声波换能器6输出的超声波信号进行放大。放大器采用仪表放大器，以达到高速、高精度、低失真放大。仪表放大器和普通的放大器不同，第一，不需要外接电阻器等器件，而且利用内部隔离输入和输出的电阻反馈网络，构成闭环增益控制；第二，仪表放大器只对输入端之间的差模电压进行放大，而普通的放大器对输入端的共模电压、差模电压都同样进行放大。而噪声，通常表现为共模形式出现在放大器的输入端。在强噪声背景下，微弱的超声波信号甚至被噪声淹没，为此需要很高共模抑制比的仪表放大器对混有噪声等干扰信号的原始超声波信号进行提取和放大。仪表放大器除了具有较高的共模抑制比外，还有低失调电压、电流，低噪声、高压摆率、高输入阻抗和宽带宽等特点，广泛应用于测量仪器、仪表、高精度数据采集系统，正适合超声波检测装置。

信号调理电路8接收可编程增益放大器7输出的放大信号，转换为差分信号，传送给模数转换器9。

模数转换器9接收数据采集控制器3输出的控制信号和信号调理电路8输出的差分信号，根据控制信号对差分信号进行取样、量化和编码，转换成数字信号，传送给多端口存储器10。

模数转换器9为超声波信号的数字化存储和管理奠定基础。采集装置的采集对象是微弱超声波，其幅度在毫伏数量级，为了提高数字化的精度，需要高精度的模数转换器。超声波采集装置在进行检测时，是突发采集一定量的数据，这就要求模数转换器具有快速的转换速度。为了提高设备的通用性，适合于不同的工作场合，要求模数转换器能对不同频率的超声波信号进行模数转换。综合以上考虑，管道类型的模数转换器，利用其内部不同转换级别之间的管道提高转换速度和精度，可以满足设备的要求。

多端口存储器10接收数据采集控制器3输出的控制信号，根据控制信号，执行读或写操作，即接收模数转换器9输出的数字信号或者输出已经存储的数字信号至外部的数据处理装置。

高性能的模数转换器在几十纳秒之内就可以完成一次模数转换，而且数据处理装置一般工作在几百兆赫兹。如果没有多端口存储器作为两者桥梁，也就意味着数据处理装置每运行几个指令就要去读取模数转换结果，这极大影响数据处理装置的性能，甚至无法正常工作。为此需要存储器来暂存模数转换器的转换结果，在一次连续的转换结束之后，通知数据处理装置来读取数据，或者由其主动读取。多端口存储器和单端口存储器一样，只有一个存储体用于存储数据，但是多端口存储器有多个独立读写端口。比如，先进先出存储器有两个端口，一个专门用于写数据，另一个端口只能顺序地将写入的数据读出；双端口随机存储器，有着两个独立的读写端口。为了提高设备的数据吞吐量，多端口存储器采取分区存储的方式，在第一个分区写满之后，在数据处理器将第一个分区数据读取完毕之前，可以往第二个分区写入模数转换结果，这样就可以做到数据采集和数据处理以流水线的方式工作，相互之间存在制约，但又不影响设备的性能。对于先进先出存储器，可以设置半满标志，将存储器分为两个区域。而双端口随机存储器采用地址分段的方式，可以划分为任意段空间，每一段空间大小正好和一次连续采集的数据量相同，这样就可以做到不浪费存储器资源，也不影响设备的数据吞吐量和性能。

如图2所示，数据采集控制器3是本发明的核心，是采用复杂可编程逻辑器CPLD(Complex Programmable Logic Device)来实现的。数据采集控制器3包括脉冲计数模块31、高度比较模块32、激励信号产生模块33、增益选择模块34、转换时钟模块35和读写模块36。

脉冲计数模块31接收光电编码器2输出的脉冲，通过对脉冲计数，得到发射超声波换能器5的高度信息，将高度信息传送给高度比较模块32。

高度比较模块32接收到脉冲计数模块31输出的高度信息后，自动调整比较阈值，将阈值与高度信息进行比较，如果比较结果符合检测要求，则向激励信号产生模块33、增益选择模块34、转换时钟模块35和读写控制模块36输出启动指令。

激励信号产生模块33接收到高度比较模块32输出的启动指令后，向超声波换能器电源4输出激励信号。

增益选择模块34接收到高度比较模块32输出的启动指令后，向可编程增益放大器7输出增益选择信号。

转换时钟模块35接收到高度比较模块32输出的启动指令和晶体振荡器1输出的振荡信号后，按照数据处理装置设置的采样频率，对振荡信号进行分频，产生转换时钟信号，传送给模数转换器9。晶体振荡器1的谐振频率需要大于模数转换器9的最大工作转换频率。

读写控制模块36接收到高度比较模块32输出的启动指令后，产生读写控制信号，传送给多端口存储器10。在模数转换器9完成一次转换后，多端口存储器10进行写操作；当外部数据处理装置读取采集装置的数据时，多端口存储器10进行读操作。

以上各个模块可采用VHDL或者Verilog等硬件描述语言编写可编程逻辑器的编程代码，通过对复杂可编程逻辑器进行编程实现。

利用复杂可编程逻辑器的集成度和功能密度大、易于扩展、编程灵活的特点，运用可重构技术，对可编程逻辑器进行编程，可以控制完成多通道超声波信号的采集。

下面以四通道超声波采集装置来具体描述如何完成超声波信号的采集。

四通道超声波信号采集装置，包含晶体振荡器1、光电编码器2、数据采集控制器3和四个单通道超声波采集单元A、B、C、D。光电编码器2采用深圳霍斯特有限公司生产的型号为FMA-A/8G05L1024BM的光电编码器，每转动一圈，输出1024个脉冲。

可编程增益放大器7由两个仪表放大器组成，第一级仪表放大器采用美国模拟器件公司的AD8251，第二集仪表放大器采用美国德州仪器公司的PGA202。AD8251根据增益的选择，可放大1倍、2倍、4倍和8倍。而PGA202可以放大1倍、10倍、100倍和1000倍，这样两级仪表放大器最大就能够放大8000倍。利用仪表放大器低噪声、低增益误差等优点对输入不同幅度，不同频率的超声波信号进行放大。信号调理电路8是模数转换器的驱动电路，用于将放大电路输出的单端信号转换为差分信号。芯片采用美国模拟器件公司的AD8138，其高输入阻抗可以将放大电路输出信号转化为差分信号传送给模数转换器。采用差分信号可以提高模数转换器9的信噪比和降低谐波失真，从而降低模数转换误差，提高设备的检测精确度。模数转换器9采用美国德州仪器生产的ADS802，这是一款管道型，最高转换频率达20兆赫兹，最低转换频率是10千赫兹，12比特的模数转换器，分辨率达0.97656毫伏。多端口存储器10采用IDT公司的先进先出存储器IDT72V263，该芯片可以实现输入和输出的独立操作，在将模数转换器9的转换结果写入的同时，还可以在输出端口读取数据。而且可以设置满的标志，当芯片内存储的数据量达到设置的大小之后，输出一个满标志。这样就可以做到数据采集和数据处理以流水线方式工作，在进行数据采集的同时，数据处理装置也可以读取采集的结果；当出现采集的数据没有空间存储时可以主动通知数据处理装置来读取数据，给后续的采集腾出足够的空间。

数据采集控制器3采用

公司的CPLD芯片EPM2210，利用

II软件对Verilog代码进行编译生成编程文件对可编程逻辑器进行编程，完成设定的功能。数据采集控制器3外接20MHz的晶体振荡器1。数据采集控制器3根据外部数据处理装置设定的参数，对光电编码器2输出的脉冲计数，得到发射超声波换能器5的高度信息。对高度信息进行判断，如果高度合适，则产生超声波换能器电源4的激励信号，控制发射超声波换能器5产生超声波；超声波经过非金属检测介质11后，传送到接收超声波换能器6。同时，数据采集控制器3开始设置可编程增益放大器7的增益，产生模数转换器9的转换时钟，在转换结果出来之后，控制将转换结果按先后顺序存储到多端口存储器10中。当多端口存储器10中有数据时，数据处理装置可以按顺序将数据读走。当多端口存储器10中数据量已经达到设置的容量时，输出满标志，以中断方式和数据处理装置通信，保证及时将存储器中的数据读走。设置的容量大小只要能满足下一次采集所需的空间即可。这样在“满”了之后，采集装置仍然可以进行数据采集，从而提高设备的数据吞吐量。为了提高检测速度，在完成一次检测之后，数据采集控制器3立即进行高度判断。数据采集控制器3对每一次采集的数量进行统计，一旦达到设置的采集长度，就自动转入高度判断，从而缩短在一次采集花费的时间。而数据处理装置从多端口存储器10中读取采集到的数据进行相关的处理，如果还没有进行采集则等待；如果读取的数据处理完毕后则主动到存储器再读取数据。在进行数据处理时，如果出现先进先出存储器的“满”中断，则立即将存储器中数据读走，保证接下来的采集有足够的存储空间。本发明提出的这种将高度判断由数据采集装置完成，使得数据采集装置和数据处理装置以流水线方式工作的方法。如此一来，设备就能够及时响应外部输入的高度信息的变化，减少在一个高度点检测的时间，从而大大提高检测装置的检测速度和效率。

Claims (3)

1.一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，包括晶体振荡器(1)、光电编码器(2)、数据采集控制器(3)和n个单通道超声波采集单元，n为通道数量，单通道超声波采集单元中包含有发射超声波换能器(5)；

晶体振荡器(1)用于产生振荡信号，传送给数据采集控制器(3)；

光电编码器(2)分别与n个单通道超声波采集单元的发射超声波换能器(5)相连，在发射超声波换能器(5)带动下产生脉冲，传送给数据采集控制器(3)；

数据采集控制器(3)接收晶体振荡器(1)输出的振荡信号和光电编码器(2)输出的脉冲信号，对振荡信号分频和对脉冲计数，产生控制信号，传送给各单通道超声波采集单元；

各单通道超声波采集单元分别接收数据采集控制器(3)输出的控制信号，开始采集工作。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，其特征在于，所述的单通道超声波采集单元包括超声波换能器电源(4)，发射超声波换能器(5)，接收超声波换能器(6)，可编程增益放大器(7)，信号调理电路(8)，模数转换器(9)，多端口存储器(10)；

超声波换能器电源(4)接收数据采集控制器(3)输出的控制信号，产生高压窄脉冲，传送给发射超声波换能器(5)；

发射超声波换能器(5)接收超声波换能器电源(4)输出的高压窄脉冲，产生超声波，超声波经过待检测非金属介质(11)后，传送给接收超声波换能器(6)；

接收超声波换能器(6)接收发射超声波换能器(5)输出的并经过待检测非金属介质(11)的超声波，传送给可编程增益放大器(7)；

可编程增益放大器(7)接收数据采集控制器(3)输出的控制信号和接收超声波换能器(6)输出的超声波，根据控制信号对超声波进行放大，将放大信号传送给信号调理电路(8)；

信号调理电路(8)接收可编程增益放大器(7)输出的放大信号，将其转换为差分信号，传送给模数转换器(9)；

模数转换器(9)接收数据采集控制器(3)输出的控制信号和信号调理电路(8)输出的差分信号，根据控制信号对差分信号进行取样、量化和编码，转换成数字信号，传送给多端口存储器(10)；

多端口存储器(10)接收数据采集控制器(3)输出的控制信号，根据控制信号进行读或写操作。

3.根据权利要求2所述的一种用于检测非金属介质的多通道超声波采集装置，其特征在于，所述数据采集控制器(3)包括脉冲计数模块(31)、高度比较模块(32)、激励信号产生模块(33)、增益选择模块(34)、转换时钟模块(35)和读写控制模块(36)；其中，

脉冲计数模块(31)接收光电编码器(2)输出的脉冲，通过对脉冲进行计数获得发射超声波换能器(5)的高度信息，传送给高度比较模块(32)；

高度比较模块(32)接收脉冲计数模块(31)输出的高度信息，产生启动指令，传送给激励信号产生模块(33)、增益选择模块(34)、转换时钟模块(35)和读写控制模块(36)；

激励信号产生模块(33)接收高度比较模块(32)输出的启动指令，向超声波换能器电源(4)输出激励信号；

增益选择模块(34)接收高度比较模块(32)输出的启动指令，向可编程增益放大器(7)输出增益选择信号；

转换时钟模块(35)接收高度比较模块(32)输出的启动指令和晶体振荡器(1)输出的振荡信号，对振荡信号进行分频，产生模数转换时钟信号，传送给模数转换器(9)；

读写控制模块(36)接收高度比较模块(32)输出的启动指令，向多端口存储器(10)输出读写控制信号。

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