CN103308607A - 一种高速化的超声信号采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速化的超声信号采集系统，包括运动控制卡，嵌入式计算机，脉冲激励/接收仪，四轴精密运动机构，聚焦超声换能器，FPGA板卡以及通用化数字仪；嵌入式计算机向运动控制卡发送控制指令，通过四轴精密运动机构带动聚焦超声换能器匀速运动；脉冲激励/接收仪输出脉冲信号到聚焦超声换能器，激励超声换能器产生激励声波，并采集激励声波遇到另一介质后产生的回波信号，通用数字化仪以其自身采样频率采集激励声波信号和回波信号，并生成数字化数据传送至FPGA板卡处理，FPGA板卡以其硬件时钟采集数据并进行处理，处理后的结果发送至嵌入式计算机；聚焦超声换能器在运动过程中进行实时测量。
Description
技术领域
本发明所设计的高速化超声信号采集系统主要应用于超声显微自动化测试系统的信号采集与处理部分，用以进行材料弹性力学性能的无损测量和内外形貌成像扫描等方面，通过FPGA硬件化的信号处理技术和算法，实现高速化的材料性能超声测试，该系统属于超声无损检测领域。
背景技术
超声显微测试系统是利用物体内部超声传播特性来表征材料弹性力学特性的一种声学检测系统。该系统可实现在不损坏待测试件的情况下直接观察其内部形貌、表征其力学特性，已广泛应用于扫描成像和材料特性检测领域。
该系统利用超声聚焦探头激励并接收超声波信号，并由聚焦位置开始，通过散焦测量来获取不同散焦距离下超声信号，并通过特征值提取来反演材料的弹性力学性能。同时系统还可以通过水平方向的扫描运动检测试件整体形貌，并进行相应参数的成像。传统的超声显微测试系统在材料性能测试和成像扫描的过程中采用“步进--测量--步进”的循环模式进行。以垂直方向的散焦测量为例，实验需要测量大量不同散焦距离下的回波信号来实现有效检测，因此需要精确的微小距离定位来完成测量。一般情况下，测试间距为0.01mm，散焦次数不少于500次，传统的启停测量模式要求运动测试系统具有高精度和高可靠性，并能够在使用中尽可能减小机械磨损，这就在无形中增加了系统的设计制作成本和运行维护经费，同时这种精密仪器不满足工业环境下的测试需求，且测试效率低下。
因此亟待一种高效、快速的测试系统通过连续匀速运动，并在运动过程中连续采集信号的模式来实现高速化的超声信号测量。这不仅降低了对系统运动和定位的精密性要求，同时也减少了不断地电机启停运动对丝杠和电路系统带来的物理磨损，在提高测试效率的同时，降低了系统的制作成本和维护费用。
发明内容
本发明目的在于实现实时、高速化的超声无损测试，以实现超声测试的工业 化需求。据此，研制了一套基于FPGA嵌入式控制技术的超声信号采集系统，使超声聚焦探头在运动系统的带动下匀速运动，并在运动过程中以高速的FPGA硬件时钟采集和处理超声信号，以此来提高测试速度，并降低整个超声显微测试系统制作和维护成本，为该类超声测试方法的工业化应用提供技术手段和可靠保证。
为了实现上述目的，本发明专利采用了如下方案：
一种高速化的超声信号采集系统，包括运动控制卡（1），嵌入式计算机（2），脉冲激励/接收仪（3），四轴精密运动机构（4），聚焦超声换能器（5），还设置了FPGA板卡（7）以及通用化数字仪（6）；所述聚焦超声换能器（5）固定于四轴精密运动机构（4）上，嵌入式计算机（2）向运动控制卡（1）发送控制指令，运动控制卡（1）通过四轴精密运动机构（4）带动聚焦超声换能器（5）匀速运动；聚焦超声换能器（5）的信号端和脉冲激励/接收仪（3）相连，脉冲激励/接收仪（3）输出脉冲信号到聚焦超声换能器（5），激励超声换能器（5）在液态耦合介质中产生激励声波，激励超声换能器（5）采集激励声波遇到另一介质后产生的回波信号，激励超声换能器（5）实时向脉冲激励/接收仪（3）发送激励声波信号和回波信号，通用数字化仪（6）以其自身采样频率采集脉冲激励/接收仪（3）接收的激励声波信号和回波信号，并生成数字化数据传送至FPGA板卡处理，FPGA板卡（7）以其硬件时钟采集数据并进行处理，处理后的结果发送至嵌入式计算机（2）；聚焦超声换能器（5）在运动过程中进行实时测量。
所述的脉冲激励/接收仪以设定频率（一般为1k以上）输出激励脉冲信号激励聚焦超声换能器工作，以在液态耦合介质中产生激励声波。该声波在遇到另一介质（如试件表面）后，会产生回波信号，该回波信号再次经过耦合介质回到聚焦超声换能器而转换为电信号返回至脉冲激励/接收仪并被其放大。通用数字化仪获取超声信号，并由FPGA板卡数字化处理超声测试数据。所述FPGA板卡与配适的通用数字化仪共同实现超声信号的采集和处理，通用数字化仪与FPGA板卡相连，直接获取超声显微测试系统送出的超声信号，并将信号信息送入FPGA板卡处理。
本发明由嵌入式计算机将超声信号采集和处理方法部署到FPGA板卡中，同时定义通信方式和数据量，板卡与计算机直接通过特定的数据通信通道进行信息交 互。
FPGA板卡内部写入了由嵌入式计算机设定的信号处理算法，用以对获得的数字化数据进行不同的处理。以超声TOF（Time of fight传播时间）成像为例，激励声波信号和返回声波信号的峰值产生时间间距即为超声传播时间，根据这个时间即可得到试件上表面与聚焦超声换能器之间的距离。因此，在处理时将数字化信号三段：第一段包含激励声波，其峰值对应声波传播的时间起点；第二段包含回波信号，其峰值对应计算时间终点，两者做差即为此次测量的结果。第三段没有有用信息，因此删除不计。写入FPGA板卡中的算法将根据不同的使用目的进行调整。
由于嵌入式计算机基于windows操作系统时钟控制，其最小的时钟精度在毫秒数量级，而FPGA板卡中的系统时钟在微秒级，所以其具有更高的数据采集和处理速度。为了使两系统的数据交互时钟相匹配，将一定数量的FPGA板卡测试结果先储存在FPGA板块的储存模块中，当测试结果数量满足嵌入式计算机时钟处理精度时，将这部分数据全部通过数据总线传输到嵌入式计算机进行进一步融合处理。
在这个数据采集的过程中，嵌入式计算机在接收和处理FPGA板卡传来数据的同时还需要通过运动控制卡来控制四轴精密运动机构按照其设定速度带动超声聚焦换能器做空间运动。由此实现超声聚焦换能器对不同位置超声信号的测试。
所述嵌入式计算机具有两项功能：1、FPGA板卡处理数据的接收和再处理，使用不同的算法实现对数据的不同处理，比如将测试数据与运动位置相互匹配，形成具有时间、空间和能量大小的三维数据结果并显示和处理。2、聚焦超声换能器的运动控制；在这个数据采集的过程中，嵌入式计算机在接收和处理FPGA板卡传来数据的同时还需要通过运动控制卡来控制四轴精密运动机构按照其设定速度带动超声聚焦换能器做空间运动。由此实现超声聚焦换能器对不同位置超声信号的动态测试。
该系统在测试过程的主要特点是在超声聚焦换能器连续运动的过程中进行测试，这是相较于以往超声测试所不同的测试方法。传统的测试采用定点测量的方式，即超声聚焦换能器移动到目标点后静止状态下测量，然后移动到下一点进 行第二次测量。而连续运动中测量的方式则是在测试前设定运动路径和运动速度，然后利用FPGA板卡的高速处理时钟进行测试。由于超声波在液态介质中的传播速度在千米/秒的数量级上（如水中的声波速度为1500m/s），声波传播距离在毫米级别，因此一次测量可以在微秒数量级的时间内完成。而这段时间超声聚焦换能器在空间上的位置移动可以忽略，可以认为是同一点测量，这就实现了连续运动中超声信号测量。
有益效果
该发明优化了传统超声显微测试系统的信号采集方法，改进其超声信号扫描和处理模式，实现了连续运动过程中高速时钟控制下的的超声信号采集和处理，将传统基于计算机软件LabVIEW控制下的ms级的信号处理周期，提升为μs级，大大缩短测试时间，且设计简单、效果改善明显，提高了测试效率和精度，使超声信号扫描和测试效果进一步提升，为其工业化应用提供了有利条件。
附图说明
图1高速化超声信号采集系统框图
图2高速超声成像扫描路径
图3获取超声信号示图
图4.a)硬币扫描结果图(300×300点)
图4.b)硬币扫描结果图(150×150点)
1、运动控制卡，2、嵌入式计算机，3、脉冲激励/接收仪，4、四轴精密运动机构，5、聚焦超声换能器，6、通用化数字仪，7、FPGA板卡。
具体实施方式
本发明的具体实施方式参见图1，本实施例包括运动控制卡（1），嵌入式计算机（2），脉冲激励/接收仪（3），四轴精密运动机构（4），聚焦超声换能器（5），其特征在于：还设置了FPGA板卡（7）以及通用化数字仪（6）；所述聚焦超声换能器（5）固定于四轴精密运动机构（4）上，嵌入式计算机（2）向运动控制卡 （1）发送控制指令，运动控制卡（1）通过四轴精密运动机构（4）带动聚焦超声换能器（5）匀速运动；聚焦超声换能器（5）的信号端和脉冲激励/接收仪（3）相连，脉冲激励/接收仪（3）输出脉冲信号到聚焦超声换能器（5），激励超声换能器（5）在液态耦合介质中产生激励声波，激励超声换能器（5）采集激励声波遇到另一介质后产生的回波信号，激励超声换能器（5）实时向脉冲激励/接收仪（3）发送激励声波信号和回波信号，通用数字化仪（6）以其自身采样频率采集脉冲激励/接收仪（3）接收的激励声波信号和回波信号，并生成数字化数据传送至FPGA板卡处理，FPGA板卡（7）以其硬件时钟采集数据并进行处理，处理后的结果发送至嵌入式计算机（2）；聚焦超声换能器（5）在运动过程中进行实时测量。
本实施例中涉及的系统硬件具有如下特征：
嵌入式计算机是一种高性能嵌入式四核控制器，其内核采用Intel酷睿i7-820QM处理器，基准时钟频率高达1.73GHz；同时配置有2GB的DDR3-1333MHzRAM，搭载Windows7(32位)操作系统。该控制器安装NILabVIEW图形化开发环境和NILabVIEWReal-TimeModule模块，并对该程序有较好的兼容性和稳定性。
通用数字化仪采用一种四通道、16位示波器配适器，其采样频率120MHz，可实现对MHz级高频超声换能器的信号进行采集；该设备直接连接FPGA板卡；且该板卡能够为NILabVIEWFPGA提供灵活且可定制的I/O，并应用LabVIEWFPGA软件进行编程。
参照图1-图4，以超声TOF扫描成像为例，对本发明的使用方法做具体说明。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。本实施例的具体工作过程如下：
（1）准备工作，将一枚硬币放置在液态耦合介质（一般为水）中，调节超声聚焦换能器垂直方向位置，使其焦点对焦在硬币上表面上，获得最大的能量反射信号。此时，图3中聚焦反射信号的电压幅值将达到最大，然后在该水平面内将聚焦超声换能器移动至扫描初始位置，测定水平方向内的扫描范围。
（2）本次测试设定X方向扫描长度为3cm，Y方向扫描长度为3cm，Y方向步进0.1mm，四轴精密运动机构匀速扫描速度5mm/s。实验中，四轴精密运动机构运动轨迹如附图2所示，首先沿X轴方向运动，然后沿Y轴方向运动一个步进长度， 沿反方向扫描下一行，如此往复，直至步进完成整个Y方向长度，测试结束。
（3）实验中，脉冲激励/接收仪以f=2kHz的频率输出脉冲信号到聚焦超声换能器，用以激励超声换能器工作，以在液态耦合介质中产生激励声波。此时，接收到的超声回波信号如附图3所示，激励波在遇到另一介质（如试件表面）后，会产生表面回波信号，该表面回波信号再次经过耦合介质回到聚焦超声换能器而转换为电信号返回至脉冲激励/接收仪并被其放大。此过程中的信号全部被通用数字化仪以其自身采样频率采集，并生成离散的数字化数据传送至FPGA板卡处理。
（4）本实施例在FPGA板卡内部写入了由嵌入式计算机设定的超声TOF（Time of fight传播时间）成像处理算法，该算法是在检测激励波信号和表面回波信号的峰值产生时间的间距，来获得超声波的传播时间，根据这个时间即可得到试件上表面与聚焦超声换能器之间的距离。因此，为了得到激励波峰值和表面回波峰值，在处理时将数字化信号人为设置了两个时间分割点，将波形划分为三段：第一段包含激励声波，其峰值对应声波传播的时间起点；第二段包含回波信号，其峰值对应计算时间终点，第三段由于不含有测试有效信息，故不做任何处理。由此，得到计算所需的起始时间和终止时间，两者做差即为此次测量的结果。
本实施例中的表面回波在17μs和33μs之间出现，设定时间分割点1为17μs，时间分割点2为33μs。FPGA板卡驻点比较在第一和第二段时间内采集到的信号幅值，并将最大值点所对应是时间记录下来，作为一次激励信号的下的测试结果。
（5）由于嵌入式计算机基于windows操作系统时钟控制，其最小的时钟精度在毫秒数量级，而FPGA板卡中的系统时钟在微秒级，所以其具有更高的数据采集和处理速度。为了使两系统的数据交互时钟相匹配，将FPGA板卡测试结果先储存在FPGA板块的储存模块中，当嵌入式FPGA内所储存的超声信号达到嵌入式计算机设定数量后（该数量满足嵌入式计算机可处理的时间精度），其通过数据总线将该组数据送至嵌入式计算机进行进一步处理；
（6）嵌入式计算机接收到这组数据后需进行平均和空间位置匹配等工作，由此得到一系列具有空间位置属性和测试量大小变化的三维数据结果并实时显示在嵌入式计算机中，直至整个扫描运动结束，嵌入式计算机储存扫描数据结果，生成并保存图像数据，测试结果如附图4.a)所示。该图像构成为300×300点，共90000点，点距0.1mm，这个扫描过程30分钟。该方案成像清晰，精度高，适合高精度清晰扫描。
（6）改变扫描设置，设定X方向扫描长度为3cm，Y方向扫描长度为3cm，Y方向步进0.2mm，扫描速度10mm/s，扫描方式同（1-5）所述。此时，测试结果如附图4.b)所示。该图像构成为150×150点，共22500点，点距0.2mm，这个扫描过程7分30秒。该设置扫描精度虽有所将降低，但成像检测时间缩短为（1-5）中所述方案的1/4，适合精度需求不高的成像检测。
综上，以表面成像扫描为例，该系统性能稳定，成像清晰且具有较高的超声成像效率，实时性较好。其最主要的优势就是高速高效性，以90000点扫描成像为例，传统超声点对点扫描模式，以每点由停止到运动到下一点再采集信号时间1s为计，90000点需要25个小时，而高速超声系统只需要0.5个小时即可完成，足见其高效性。同时系统可根据检测需求设定不同的成像分辨率，在工业应用中有很好的实用性，为超声成像技术应用的实时性和在线性提供了一种新方案。同时，该系统还可应用于材料特性检测，亦可高速采集处理超声信号结果，实现高速化的材料弹性性能检测。
Claims (1)
1.一种高速化的超声信号采集系统，包括运动控制卡（1），嵌入式计算机（2），脉冲激励/接收仪（3），四轴精密运动机构（4），聚焦超声换能器（5），其特征在于：还设置了FPGA板卡（7）以及通用化数字仪（6）；所述聚焦超声换能器（5）固定于四轴精密运动机构（4）上，嵌入式计算机（2）向运动控制卡（1）发送控制指令，运动控制卡（1）通过四轴精密运动机构（4）带动聚焦超声换能器（5）匀速运动；聚焦超声换能器（5）的信号端和脉冲激励/接收仪（3）相连，脉冲激励/接收仪（3）输出脉冲信号到聚焦超声换能器（5），激励超声换能器（5）在液态耦合介质中产生激励声波，激励超声换能器（5）采集激励声波遇到另一介质后产生的回波信号，激励超声换能器（5）实时向脉冲激励/接收仪（3）发送激励声波信号和回波信号，通用数字化仪（6）以其自身采样频率采集脉冲激励/接收仪（3）接收的激励声波信号和回波信号，并生成数字化数据传送至FPGA板卡处理，FPGA板卡（7）以其硬件时钟采集数据并进行处理，处理后的结果发送至嵌入式计算机（2）；聚焦超声换能器（5）在运动过程中进行实时测量。
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| Publication number | Publication date |
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| CN103308607B (zh) | 2015-11-04 |
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