CN206862961U - 一种便携式通用多通道超声波检测模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：包含FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接收通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器、DAC电压和USB3.0芯片，FPGA通过USB3.0芯片与上位机连接，FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接受通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器依次串联，DAC电压分别与FPGA和电压控制增益放大器连接，接受通道选择的控制端与FPGA连接，过压隔离保护与探头连接。本实用新型跨平台兼容并且高度集成化，实现了多通道及多模块扩展。

Description

一种便携式通用多通道超声波检测模块

技术领域

本实用新型公开了一种超声波检测模块，特别是一种便携式通用多通道超声波检测模块。

背景技术

目前，国内外各类超声波多通道检测仪器都是以一体机的形式存在，也有厂家生产多通道超声检测板卡，但是市面上所有的多通道超声板卡用的通讯接口都是PCI-E接口，在实际使用过程中也必须安装到仪器主机内。

对于探伤现场而言，因为现场探伤环境和探伤对象不一致，对于多通道数的需求也不一致。在通道数需求比较多的时候，往往一台多通道仪器预留的通道数并不能应对灵活多变的探伤场景。多台仪器又会造成成本的大幅上升。并且现场机器发生故障后，我们发现大量的故障表现为，模拟收发和数据采集出现错误，而仪器主机界面正常运行。对于这样故障的检修维修依然是整机返厂拆卸维修，极容易造成探伤工期的延误。采用的PCIE接口的超声板卡的安装和拆卸也需要打开机壳，并不能成为便携式外设，也不能做到即插即用。

另一方面，为了适应客户的使用习惯，超声波探伤仪器必须实现在各类操作系统中的应用。操作系统的不同，导致选取的核心处理的平台不一样，比如X86平台，X64平台，ARM平台，手机客户端。灵活多变的平台需求下，一体机的设计和传统的PCI-E接口的超声板卡显然已经不能适应快速开发需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种便携式通用多通道超声波检测模块。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：包含FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接收通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器、DAC电压和USB3.0芯片，FPGA通过USB3.0芯片与上位机连接，FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接受通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器依次串联，DAC电压分别与FPGA和电压控制增益放大器连接，接受通道选择的控制端与FPGA连接，过压隔离保护与探头连接。

进一步地，所述多路选通开关和MOS驱动电路包含3选8译码器U6和MOS管驱动芯片U3、U30、U40、U41，3选8译码器U6的1、2、3、6脚与FPGA连接，3选8译码器U6的4、5、8脚接地，3选8译码器U6的14、15脚分别连接MOS管驱动芯片U3的4脚和2脚，3选8译码器U6的12、13脚分别连接MOS管驱动芯片U30的4脚和2脚，3选8译码器U6的10、11脚分别连接MOS管驱动芯片U40的4脚和2脚，3选8译码器U6的7、9脚分别连接MOS管驱动芯片U41的4脚和2脚，3选8译码器U3、U30、U40、U41的6脚均连接驱动电压VCC_MOS_DRV，3选8译码器U3、U30、U40、U41的3脚接地，3选8译码器U3、U30、U40、U41的5、7脚输出与高压MOS管连接。

进一步地，所述MOS管驱动芯片型号为UCC27323DGN。

进一步地，所述高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器包含MOS管Q1、射频口P1、P2和两个前置放大芯片U1、U2，高压MOS管Q1的D极与二极管D3阳极、电阻R5一端、电容C1一端连接，二极管D3阴极和电阻R5另一端连接高压400V直流信号HV400, 高压MOS管Q1的G极连接驱动信号MOS_TRIG,电容C1另一端与二极管D6阳极、二极管D4阴极连接，二极管D4阳极与共阳稳压二极管D5阳极连接，共阳稳压二极管D5阴极与电阻R9一端、射频口P1内芯、NULL电阻P3一端连接，MOS管Q1的S极、二极管D6阴极、电阻R9另一端和射频口P1、P2外芯接地，NULL电阻P3另一端与射频口P2内芯、电阻R4一端、电阻R11一端连接，电阻R4另一端与二极管D1阳极、二极管D2阴极、电阻R6一端、前置放大芯片U1的3脚连接，电阻R6另一端接地，电阻R1一端、二极管D1阴极、二极管D2阳极接地，电阻R1另一端和电阻R2一端与前置放大芯片U1的2脚连接，前置放大芯片U1的7脚和4脚分别连接直流电压VPA+5V和VPA-5V，电阻R2另一端连接前置放大芯片U1的1脚，前置放大芯片U1的6脚与电阻R3一端连接；电阻R11另一端与二极管D7阳极、二极管D8阴极、电阻R12一端、前置放大芯片U2的3脚连接，电阻R12另一端接地，电阻R7一端、二极管D7阴极、二极管D8阳极接地，电阻R7另一端和电阻R8一端与前置放大芯片U2的2脚连接，前置放大芯片U2的7脚和4脚分别连接直流电压VPA+5V和VPA-5V，电阻R8另一端连接前置放大芯片U2的1脚，前置放大芯片U2的6脚与电阻R10一端连接。

进一步地，所述前置放大芯片U1、U2的芯片型号为AD8099。

进一步地，所述接收通道选择采用16选1模拟开关芯片U9。

进一步地，所述USB3.0芯片的所有数字接口与 FPGA 连接，数字接口包含13根通用输入输出接口、32 根数据线、13 根控制线、4 根 I2S 信号线、4根 UART 线。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、跨平台兼容

由于几乎所有的上位机平台都支持USB接口，不仅是PC X86平台或X64平台下开发上位机；而且嵌入式平台操作系统下也支持USB接口，比如WINCE，LINUX,ANDROID等。该检测模块已经在多个操作系统下实现了上位机应用。

2、高度集成化

采用当今国际先进和成熟的集成电路技术，如USB3.0、FPGA和高速缓存等技术，不仅大提高了仪器的技术性能、工作速度和稳定可靠性，还降低了功耗，减小了体积和重量。

3、多通道及多模块扩展

单模块自身支持8个物理通道的切换，由于采用了通用USB接口，在更多通道数的应用需求上，我们可以通过多模块并行接入上位机平台，实现更多通道的扩展，多模块并行采集数据的上位机应用已经得到实现。

4、低噪声设计

完善的电路设计，解决了噪声干扰问题，使仪器的灵敏度余量大增加。

5、人工智能技术

FPGA内置人工智能信号处理算法，实现仪器和探头检验自动化、波峰自动跟踪和缺陷位置、大小和当量自动转换。

6、设计和制造模块化

采用模块化设计，板卡的升级和生产方便、可靠。

附图说明

图1是本实用新型的一种便携式通用多通道超声波检测模块的模块连接图。

图2是本实用新型的多路选通开关和MOS驱动电路的电路图。

图3是本实用新型的高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器的电路图。

图4是本实用新型的接收通道选择的电路图。

图5是本实用新型的USB3.0芯片的电路图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

如图所示，本实用新型的一种便携式通用多通道超声波检测模块，包含FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接收通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器、DAC电压和USB3.0芯片，FPGA通过USB3.0芯片与上位机连接，FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接受通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器依次串联，DAC电压分别与FPGA和电压控制增益放大器连接，接受通道选择的控制端与FPGA连接，过压隔离保护与探头连接。

本实用新型以Xilinx公司提供的超大规模现场可编程门阵列(简称FPGA)为数据处理和控制核心，完成超声波信号检测功能电路与数字处理功能电路实现。超声波信号检测部分由FPGA选通发射通道，激发高压负脉冲通过过压隔离保护器激发超声换能器，产生超声波进检测物体，超声波遇障碍产生回波，回波回到超声换能器，进行到仪器接收端，此时再通过FPGA选通指定的接收通道，将回波信号通过滤波，放大处理后，进入模拟数字转换器，模拟数字转换器通过FPGA产生的采集时钟，将前端放大后的模拟信号转换成数字信号，采集进FPGA。FPGA进行进一步的数字信号处理，转换成稳定可靠的数字信号后，将数字信号打包传至USB3.0芯片。USB3.0芯片通过通用USB数据接口将数据传输到上位机平台。上位机平台对USB多通道采集模块的控制设置参数，也通过USB3.0芯片下行至FPGA，由FPGA读取之后对采集模块进行控制设置。

多路选通开关和MOS驱动电路包含3选8译码器U6和MOS管驱动芯片U3、U30、U40、U41，3选8译码器U6的1、2、3、6脚与FPGA连接，3选8译码器U6的4、5、8脚接地，3选8译码器U6的14、15脚分别连接MOS管驱动芯片U3的4脚和2脚，3选8译码器U6的12、13脚分别连接MOS管驱动芯片U30的4脚和2脚，3选8译码器U6的10、11脚分别连接MOS管驱动芯片U40的4脚和2脚，3选8译码器U6的7、9脚分别连接MOS管驱动芯片U41的4脚和2脚，3选8译码器U3、U30、U40、U41的6脚均连接驱动电压VCC_MOS_DRV，3选8译码器U3、U30、U40、U41的3脚接地，3选8译码器U3、U30、U40、U41的5、7脚输出与高压MOS管连接。MOS管驱动芯片型号为UCC27323DGN。

该电路实现了发射通道选通。使得被选通的发射通道能够发出方波信号。U6是一片3选8译码器，其输入信号TRIG_SEL[0]\TRIG_SEL[1]\TRIG_SEL[2]\TX_TRIG来自于FPGA，输出信号为nTRIG_TR1~nTRIG_TR8，FPGA通过TRIG_SEL[0]，TRIG_SEL[1]，TRIG_SEL[2]这3路信号选择U6输出通道nTRIG_TRN（N为1~8）。此时如果FPGA通过TX_TRIG输出方波信号，则nTRIG_TRN输出方波信号。nTRIG_TRN后续通过MOS管驱动芯片UCC27323DGN输出波幅达到10V的方波信号，能够驱动大功率MOS管的方波信号输出为MOS_TRIG[1]~MOS_TRIG[8]。举例：如果此时TRIG_SEL[2-0]=3，则MOS_TRIG[4]输出方波信号。

高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器包含MOS管Q1、射频口P1、P2和两个前置放大芯片U1、U2，高压MOS管Q1的D极与二极管D3阳极、电阻R5一端、电容C1一端连接，二极管D3阴极和电阻R5另一端连接高压400V直流信号HV400, 高压MOS管Q1的G极连接驱动信号MOS_TRIG,电容C1另一端与二极管D6阳极、二极管D4阴极连接，二极管D4阳极与共阳稳压二极管D5阳极连接，共阳稳压二极管D5阴极与电阻R9一端、射频口P1内芯、NULL电阻P3一端连接，MOS管Q1的S极、二极管D6阴极、电阻R9另一端和射频口P1、P2外芯接地，NULL电阻P3另一端与射频口P2内芯、电阻R4一端、电阻R11一端连接，电阻R4另一端与二极管D1阳极、二极管D2阴极、电阻R6一端、前置放大芯片U1的3脚连接，电阻R6另一端接地，电阻R1一端、二极管D1阴极、二极管D2阳极接地，电阻R1另一端和电阻R2一端与前置放大芯片U1的2脚连接，前置放大芯片U1的7脚和4脚分别连接直流电压VPA+5V和VPA-5V，电阻R2另一端连接前置放大芯片U1的1脚，前置放大芯片U1的6脚与电阻R3一端连接；电阻R11另一端与二极管D7阳极、二极管D8阴极、电阻R12一端、前置放大芯片U2的3脚连接，电阻R12另一端接地，电阻R7一端、二极管D7阴极、二极管D8阳极接地，电阻R7另一端和电阻R8一端与前置放大芯片U2的2脚连接，前置放大芯片U2的7脚和4脚分别连接直流电压VPA+5V和VPA-5V，电阻R8另一端连接前置放大芯片U2的1脚，前置放大芯片U2的6脚与电阻R10一端连接。前置放大芯片U1、U2的芯片型号为AD8099。

该电路实现了单路发射及接收前放功能。电路输入MOS_TRIG信号来自于图2中的输出，HV400为高压400V直流信号，来自于另外的高压生成电路（这里不赘述）。MOS_TRIG信号驱动MOS管Q1，进行开关动作，配合电容C1，电阻R5生成负方波高压信号，通过射频口,P1发射激发前端的探头产生超声波。超声波通过检测物体，返回回波信号后，进入射频口P2。此时回波信号通过正反接二极管限幅后，同事进入两个前置放大芯片（两个前置放大芯片放大倍数不一样，可供选择）进行前置放大。输出信号为PREAMP_N和 PREAMP_P，可供后续选通。

接收通道选择采用16选1模拟开关芯片U9。该电路输入信号PREAMP_N[1-8]和PREAMP_P[1-8]来自于图3中的输出，此外该电路输入信号还有REV_SEL[0]-REV_SEL[3]，来自于FPGA，用于选择16路输入信号的其中一路，作为PRE_OUT信号从U9输出。举例：如图所示，如果REV_SEL[3-0]=9,则U9的S9打开，将输入S9的信号从D输出。即PRE_OUT信号为前端的PREAMP_N5。

USB3.0芯片的所有数字接口与 FPGA 连接，数字接口包含13根通用输入输出接口、32 根数据线、13 根控制线、4 根 I2S 信号线、4根 UART 线。

USB3.0通讯部分的电路实现，分为三个部分：FPGA控制、FLASH配置、USB3.0芯片处理数据协议。为了充分发挥 USB3.0 芯片的特性，本实用新型将USB3.0 芯片的所有数字接口与 FPGA 连接，包括 13根通用输入输出接口（USB_GPIO[12:0]）、32 根数据线（USB_DQ[31:0]），13 根控制线USB_CTL[12:0]、4 根 I2S 信号线（USB_I2S[3:0]）、4根 UART 线（USB_UART_TX、USB_UART_RX、USB_UART_RTS、USB_UART_CTS）等。

USB3.0芯片的固件配置由一片SPI接口的FLASH进行。FLASH与USB3.0芯片的接口为片选信号CS，时钟信号SCLK，主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI。为了实现大数据量的实时传输，最大化的利用USB3.0的传输带宽，FPGA片内用硬件描述语言例化了两片DPRAM（双口随机存取存储器），其中一片用于FPGA向上位机上传前端的采集数据，另一片用于上位机向下传递收发采集模块的设置参数。FPGA里对前端接收信号进行处理后，快速存储到上行数据的DPRAM中。该DPRAM同时将存储在指定位置的数据输出到USB3.0芯片。USB3.0芯片将上位机的设置参数作为下行数据，存储到FPGA下行数据的DPRAM中，FPGA内部程序会读取到指定位置的下行数据，根据下行数据内容对USB多通道板的收发采集模块进行参数设置。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：包含FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接收通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器、DAC电压和USB3.0芯片，FPGA通过USB3.0芯片与上位机连接，FPGA、多路选通开关、MOS驱动电路、高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器、接受通道选择、带通滤波、电压控制增益放大器、模拟数字转换器依次串联，DAC电压分别与FPGA和电压控制增益放大器连接，接受通道选择的控制端与FPGA连接，过压隔离保护与探头连接。

2.按照权利要求1所述的一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：所述多路选通开关和MOS驱动电路包含3选8译码器U6和MOS管驱动芯片U3、U30、U40、U41，3选8译码器U6的1、2、3、6脚与FPGA连接，3选8译码器U6的4、5、8脚接地，3选8译码器U6的14、15脚分别连接MOS管驱动芯片U3的4脚和2脚，3选8译码器U6的12、13脚分别连接MOS管驱动芯片U30的4脚和2脚，3选8译码器U6的10、11脚分别连接MOS管驱动芯片U40的4脚和2脚，3选8译码器U6的7、9脚分别连接MOS管驱动芯片U41的4脚和2脚，3选8译码器U3、U30、U40、U41的6脚均连接驱动电压VCC_MOS_DRV，3选8译码器U3、U30、U40、U41的3脚接地，3选8译码器U3、U30、U40、U41的5、7脚输出与高压MOS管连接。

3.按照权利要求2所述的一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：所述MOS管驱动芯片型号为UCC27323DGN。

4.按照权利要求1所述的一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：所述高压MOS管、过压隔离保护、前置放大器包含MOS管Q1、射频口P1、P2和两个前置放大芯片U1、U2，高压MOS管Q1的D极与二极管D3阳极、电阻R5一端、电容C1一端连接，二极管D3阴极和电阻R5另一端连接高压400V直流信号HV400, 高压MOS管Q1的G极连接驱动信号MOS_TRIG,电容C1另一端与二极管D6阳极、二极管D4阴极连接，二极管D4阳极与共阳稳压二极管D5阳极连接，共阳稳压二极管D5阴极与电阻R9一端、射频口P1内芯、NULL电阻P3一端连接，MOS管Q1的S极、二极管D6阴极、电阻R9另一端和射频口P1、P2外芯接地，NULL电阻P3另一端与射频口P2内芯、电阻R4一端、电阻R11一端连接，电阻R4另一端与二极管D1阳极、二极管D2阴极、电阻R6一端、前置放大芯片U1的3脚连接，电阻R6另一端接地，电阻R1一端、二极管D1阴极、二极管D2阳极接地，电阻R1另一端和电阻R2一端与前置放大芯片U1的2脚连接，前置放大芯片U1的7脚和4脚分别连接直流电压VPA+5V和VPA-5V，电阻R2另一端连接前置放大芯片U1的1脚，前置放大芯片U1的6脚与电阻R3一端连接；电阻R11另一端与二极管D7阳极、二极管D8阴极、电阻R12一端、前置放大芯片U2的3脚连接，电阻R12另一端接地，电阻R7一端、二极管D7阴极、二极管D8阳极接地，电阻R7另一端和电阻R8一端与前置放大芯片U2的2脚连接，前置放大芯片U2的7脚和4脚分别连接直流电压VPA+5V和VPA-5V，电阻R8另一端连接前置放大芯片U2的1脚，前置放大芯片U2的6脚与电阻R10一端连接。

5.按照权利要求4所述的一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：所述前置放大芯片U1、U2的芯片型号为AD8099。

6.按照权利要求1所述的一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：所述接收通道选择采用16选1模拟开关芯片U9。

7.按照权利要求1所述的一种便携式通用多通道超声波检测模块，其特征在于：所述USB3.0芯片的所有数字接口与 FPGA 连接，数字接口包含13根通用输入输出接口、32 根数据线、13 根控制线、4 根 I2S 信号线、4根 UART 线。