一种基于FPGA的超声导波信号采集系统的制作方法

本发明涉及一种基于FPGA的超声导波信号采集系统，属于超声无损检测领域，可用于采集超声导波信号，可以控制信号的增益大小，通过PCIe总线传输采样数据控制指令。

背景技术：

超声导波检测技术具有检测速度快，检测距离长等特点，在工业超声检测领域具有广泛的应用价值。超声导波信号采集系统在超声导波检测系统中占有重要地位。超声导波在不同检测工况条件下的采样要求各不相同，超声导波信号采集需要实现能够放大超声导波信号的功能，并且采样点数和采样频率能够根据不同工况要求进行改变。并且，利用超声导波检测技术时，由于超声导波传播距离远，频率高，需要较高的采样率和较快的数据传输方式。因此，需要一种能够控制增益、采样点数和采样长度的专用于超声导波信号采集的采集系统，并且具有较高的数据传输速度。

技术实现要素：

本发明旨在设计一种超声导波信号采集系统，该系统具有信号增益可控，采样点数和采样频率可控的特点。该系统利用PCIe数据传输接口传输采样数据和控制指令，能够控制超声导波信号的增益大小和采样频率与采样点数。

为实现上述目的，本发明采用如下设计方案：

一种基于FPGA的超声导波信号采集系统，包括程控增益电路(1)、AD采集电路(2)、DA转换电路(3)、控制逻辑模块(4)和PCIe收发控制模块(5)，程控增益电路(1)和AD采集电路(2)连接，AD采集电路(2)和控制逻辑模块(4)连接，控制逻辑模块(4)和PCIe收发控制模块(5)连接，控制逻辑模块(4)通过DA转换电路(3)与程控增益电路(1)连接。PCIe收发控制模块控制信号输入端连接所在系统的PCIe接口，PCIe收发控制模块控制信号输出端连接控制逻辑模块的控制信号输入端，控制逻辑模块的控制信号输出端和数据输出端连接到DA转换电路，DA转换电路的模拟输出信号连接至程控增益电路的增益控制信号输入端，程控增益电路的信号输入端连接超声导波传感器，程控增益电路的信号输出端连接AD采集电路的信号输入端，AD采集电路的控制信号输入端连接控制逻辑模块的控制信号输出端，AD采集电路的数据输出端连接控制逻辑模块的数据输入端，控制逻辑模块的数据输出端连接PCIe收发控制模块的数据输入端，PCIe收发控制模块的数据输入端连接所在系统的PCIe接口。

程控增益电路包括前端跟随电路、程控放大电路和后端跟随电路；前端跟随电路由OPA340芯片以及相关电阻电容组成的典型信号跟随电路，前端跟随电路的输入端连接超声导波传感器，接收由超声导波传感器转换为电信号的超声导波信号。前端跟随电路的输出端连接由AD8367芯片和相关电阻电容组成的典型程控放大电路，AD8367芯片的INPT输入端连接前端跟随电路的输出端，AD8367芯片的GAIN输入端连接DA转换电路的模拟量输出端，由AD8367芯片的GAIN端输入的模拟信号幅值控制放大倍数，DA电路通过输出模拟电压控制放大倍数。AD8367芯片的VOUT输出端连接后端跟随电路。后端跟随电路由AD8065芯片和相关电容电阻组成典型的跟随电路。AD8065芯片的+IN端连接程控放大电路中的AD8367芯片的VOUT输出端，跟随经过放大的信号，AD8065芯片的Vout输出端输出跟随的信号，连接AD采集电路的模拟量输入端。

AD采集电路包括差分转换电路和数模转换电路，差分转换电路由LMH6550芯片以及相关电阻电容组成，差分转换电路的输入端连接程控增益电路的输出端，将经过增益放大的信号转换为差分信号，传输至数模转换电路。数模转换电路由ADC12040芯片和相关电阻电容构成，其模拟量输入端连接差分转换电路的差分输出端，ADC12040芯片的CLK输入端连接控制逻辑模块的采样时钟输出信号，ADC12040芯片的PD端连接控制逻辑模块的掉电控制信号，和端分别连接控制逻辑模块的使能控制信号，ADC12040芯片的D0～D11端输出经过模数转换的数字量，连接控制逻辑模块的数据输入端，由控制逻辑模块控制AD采集电路工作。

DA转换电路由MAX5102芯片和相关电阻电容组成，MAX5102芯片的D0～D7输入端连接控制逻辑模块的增益控制数据输出端，MAX5102芯片的WR#输入端连接控制逻辑模块的增益写控制信号，MAX5102芯片的OUTA输出端输出经过数模转换后的模拟电平，传输至程控增益电路的增益控制输入端。

控制逻辑模块由AD采集控制器、采集触发控制器和程控增益控制器组成。AD采集控制器控制信号输入端连接PCIe收发控制模块的控制信号输出端，AD采集控制器的采样触发输入端连接采集触发控制器输出端，PCIe收发控制模块通过写AD采集控制器的寄存器接口输入控制参数。采集触发控制器控制AD采集控制器采集触发信号。AD采集控制器输出采样时钟连接AD采集电路中ADC12040芯片的CLK时钟输入端，AD采集控制器输出掉电控制信号连接AD采集电路中ADC12040芯片的PD掉电控制输入端，AD采集控制器输出使能信号连接AD采集电路中ADC12040芯片的使能控制输入端。AD采集控制器的数据输入端连接AD采集电路中ADC12040芯片的数据输出端D0～D11。AD采集控制器的数据输出端连接PCIe收发控制模块的数据输入端。AD采集控制器根据由PCIe收发控制模块输入的采集控制参数，以及由采集触发控制器输入的采触发信号控制信号控制AD采集电路进行工作。AD采集控制器将采集到的数据进行缓冲后输出至PCIe收发控制模块。

采集触发控制器的控制信号输入端连接PCIe收发控制模块的控制信号输出端，采集触发控制器的控制信号输出端连接AD采集控制器的采集触发信号输入端。PCIe收发控制模块通过写采集触发控制器的寄存器输入控制参数，采集触发控制器根据输入的控制参数计算采集触发间隔，并生成采集触发信号，输出至AD采集控制器，控制AD采集控制器工作。

程控增益控制器的控制信号输入端连接PCIe收发控制模块的控制信号输出端，程控增益控制器的写控制信号输出端连接DA转换电路中MAX5102芯片的WR#输入端，程控增益控制器的数据输出端连接DA转换电路中MAX5102芯片的D0～D7输入端。PCIe收发控制模块通过程控增益控制器的寄存器输入控制参数，程控增益控制器根据输入的控制参数生成写控制信号和DA转换的数据，输出至程控增益电路，控制程控增益电路工作。

PCIe收发控制模块的控制信号输入端连接所在系统的PCIe接口，PCIe收发控制模块的控制信号输出端连接控制逻辑模块的控制信号输入端，PCIe收发控制模块的数据输入端连接控制逻辑模块的数据输出端，PCIe收发控制模块的数据输出端连接所在系统的PCIe接口。PCIe收发控制模块接收从所在系统的PCIe接口发送来的控制指令报文，解析后输出至控制逻辑模块，PCIe收发控制模块接收从控制逻辑模块发送的数据，经过组包后发送至所在系统的PCIe接口。

本发明所述采集系统的所在系统通过PCIe接口发送控制指令至PCIe收发控制模块，在PCIe收发控制模块中将控制指令进行解析，其中指令参数包括采样点数、采样频率、触发频率和增益大小，将指令参数发送至控制逻辑模块，控制逻辑模块中AD采集控制器、采集触发控制器和程控增益控制器分别根据发送到各自寄存器的参数产生控制信号。AD采集控制器根据发送的的采样点数和采样频率参数产生控制信号，控制AD采集电路采集超声导波信号。采集触发控制器根据发送的触发频率参数产生触发信号，控制AD采集控制器工作。程控增益控制器根据发送的增益控制参数产生控制信号和增益数据，控制程控增益店路进行工作。AD采集电路工作后，将采集到的数据传输至AD采集控制器，AD采集控制器将数据进行缓冲后发送给PCIe收发控制模块，PCIe收发控制模块将数据通过PCIe接口将数据发送至所在系统。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、超声导波信号增益可控，增益倍数0dB～40dB，方便信号放大观察；

2、超声导波信号采样长度可变，可随设定长度变化，方便选取有效范围内的超声导波信号进行采集；

3、超声导波信号采样频率可变，可分别设置为40M、20M、10M、5M；

4、超声导波信号采集触发频率可变，可随设定触发频率变化。

附图说明

图1为本发明一种基于FPGA的超声导波信号采集系统的系统原理图。

图2为本发明一种基于FPGA的超声导波信号采集系统的控制逻辑模快框图。

图3为本发明一种基于FPGA的超声导波信号采集系统的程控增益电路原理图。

图4为本发明一种基于FPGA的超声导波信号采集系统的AD采集电路原理图。

图5为本发明一种基于FPGA的超声导波信号采集系统的DA转换电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，且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。

一种基于FPGA的超声导波信号采集系统，如图1为本发明的系统原理图，包括程控增益电路(1)、AD采集电路(2)、DA转换电路(3)、控制逻辑模块(4)和PCIe收发控制模块(5)。所述PCIe收发控制模块控制信号输入端连接所在系统的PCIe接口，PCIe收发控制模块控制信号输出端连接控制逻辑模块的控制信号输入端，控制逻辑模块的控制信号输出端和数据输出端连接到DA转换电路，DA转换电路的模拟输出信号连接至程控增益电路的增益控制信号输入端，程控增益电路的信号输入端连接超声导波传感器，程控增益电路的信号输出端连接AD采集电路的信号输入端，AD采集电路的控制信号输入端连接控制逻辑模块的控制信号输出端，AD采集电路的数据输出端连接控制逻辑模块的数据输入端，控制逻辑模块的数据输出端连接PCIe收发控制模块的数据输入端，PCIe收发控制模块的数据输入端连接所在系统的PCIe接口。

程控增益电路包括前端跟随电路、程控放大电路和后端跟随电路；前端跟随电路由OPA340芯片以及相关电阻电容组成的典型信号跟随电路，前端跟随电路的输入端连接超声导波传感器，接收由超声导波传感器转换为电信号的超声导波信号。前端跟随电路的输出端连接由AD8367芯片和相关电阻电容组成的典型程控放大电路，AD8367芯片的INPT输入端连接前端跟随电路的输出端，AD8367芯片的GAIN输入端连接DA转换电路的模拟量输出端，由AD8367芯片的GAIN端输入的模拟信号幅值控制放大倍数，DA电路通过输出模拟电压控制放大倍数。AD8367芯片的VOUT输出端连接后端跟随电路。后端跟随电路由AD8065芯片和相关电容电阻组成典型的跟随电路。AD8065芯片的+IN端连接程控放大电路中的AD8367芯片的VOUT输出端，跟随经过放大的信号，AD8065芯片的Vout输出端输出跟随的信号，连接AD采集电路的模拟量输入端。

AD采集电路包括差分转换电路和数模转换电路，差分转换电路由LMH6550芯片以及相关电阻电容组成，差分转换电路的输入端连接程控增益电路的输出端，将经过增益放大的信号转换为差分信号，传输至数模转换电路。数模转换电路由ADC12040芯片和相关电阻电容构成，其模拟量输入端连接差分转换电路的差分输出端，ADC12040芯片的CLK输入端连接控制逻辑模块的采样时钟输出信号，ADC12040芯片的PD端连接控制逻辑模块的掉电控制信号，和端分别连接控制逻辑模块的使能控制信号，ADC12040芯片的D0～D11端输出经过模数转换的数字量，连接控制逻辑模块的数据输入端，由控制逻辑模块控制AD采集电路工作。

DA转换电路由MAX5102芯片和相关电阻电容组成，MAX5102芯片的D0～D7输入端连接控制逻辑模块的增益控制数据输出端，MAX5102芯片的WR#输入端连接控制逻辑模块的增益写控制信号，MAX5102芯片的OUTA输出端输出经过数模转换后的模拟电平，传输至程控增益电路的增益控制输入端。

控制逻辑模块由AD采集控制器、采集触发控制器和程控增益控制器组成。

AD采集控制器控制信号输入端连接PCIe收发控制模块的控制信号输出端，AD采集控制器的采样触发输入端连接采集触发控制器输出端，PCIe收发控制模块通过写AD采集控制器的寄存器接口输入控制参数。采集触发控制器控制AD采集控制器采集触发信号。AD采集控制器输出采样时钟连接AD采集电路中ADC12040芯片的CLK时钟输入端，AD采集控制器输出掉电控制信号连接AD采集电路中ADC12040芯片的PD掉电控制输入端，AD采集控制器输出使能信号连接AD采集电路中ADC12040芯片的使能控制输入端。AD采集控制器的数据输入端连接AD采集电路中ADC12040芯片的数据输出端D0～D11。AD采集控制器的数据输出端连接PCIe收发控制模块的数据输入端。AD采集控制器根据由PCIe收发控制模块输入的采集控制参数，以及由采集触发控制器输入的采触发信号控制信号控制AD采集电路进行工作。AD采集控制器将采集到的数据进行缓冲后输出至PCIe收发控制模块。

具体实施时，根据ADC12040芯片的工作时序设计AD采集控制器，其核心代码包括采集控制状态机、采样点数计数器以及采样频率生成器。采集状态控制器包括两种状态：等待采集状态和采集状态，等待采集状态时，输出控制信号连接ADC12040芯片的PD掉电控制输入端为高电平，输出控制信号连接ADC12040芯片的使能控制输入端为高电平，此时AD芯片不工作，不采集信号。采集状态时，输出控制信号连接ADC12040芯片的PD掉电控制输入端为低电平，输出控制信号连接ADC12040芯片的使能控制输入端为低电平，此时AD芯片工作，开始采集数据。

采样点数计数器根据输入的控制参数进行采样计数，等到计数值达到设定值时控制采集控制状态机进入等待采集状态。

采样频率生成器主要利用四个计数器分别生成频率为40MHz、20MHz、10MHz、5MHz的时钟信号，根据输入的控制参数输出对应的采样时钟信号，输出的采样时钟信号连接AD采样电路中ADC12040芯片的CLK时钟输入端。

采集触发控制器的控制信号输入端连接PCIe收发控制模块的控制信号输出端，采集触发控制器的控制信号输出端连接AD采集控制器的采集触发信号输入端。PCIe收发控制模块通过写采集触发控制器的寄存器输入控制参数，采集触发控制器根据输入的控制参数计算采集触发间隔，并生成采集触发信号，输出至AD采集控制器，控制AD采集控制器工作。

具体实施时，采集触发控制器核心为一个计数器，计数器根据输入的控制参数进行计数，当计数达到设定值时，产生采样触发信号，输出至AD采集控制器，使AD采集控制器进入采集状态。

程控增益控制器的控制信号输入端连接PCIe收发控制模块的控制信号输出端，程控增益控制器的写控制信号输出端连接DA转换电路中MAX5102芯片的WR#输入端，程控增益控制器的数据输出端连接DA转换电路中MAX5102芯片的D0～D7输入端。PCIe收发控制模块通过程控增益控制器的寄存器输入控制参数，程控增益控制器根据输入的控制参数生成写控制信号和DA转换的数据，输出至程控增益电路，控制程控增益电路工作。

具体实施时，程控增益控制器根据DA转换电路中MAX5102芯片的芯片操作时序进行控制，根据输入的增益控制参数，将增益控制字写入MAX5102芯片的D0～D7引脚中，控制WR#引脚完成写操作。

PCIe收发控制模块的控制信号输入端连接所在系统的PCIe接口，PCIe收发控制模块的控制信号输出端连接控制逻辑模块的控制信号输入端，PCIe收发控制模块的数据输入端连接控制逻辑模块的数据输出端，PCIe收发控制模块的数据输出端连接所在系统的PCIe接口。PCIe收发控制模块接收从所在系统的PCIe接口发送来的控制指令报文，解析后输出至控制逻辑模块，PCIe收发控制模块接收从控制逻辑模块发送的数据，经过组包后发送至所在系统的PCIe接口。