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　　摘要：基于SoPC技術設計了一種專門激勵管道超聲導波的信號發(fā)生器。重點闡述了導波DDSIP核的設計方法。發(fā)生器以MicroBlaze軟核處理器為控制核心，單片F(xiàn)PGA輔以必要的少量外圍硬件電路，易于擴展升級。實驗結果表明，輸出的信號精度高、噪聲小、穩(wěn)定性好，頻率連續(xù)可調(diào)，可方便地應用于管道超聲導波檢測。
　　
　　在管道缺陷檢測當中，超聲導波檢測技術與傳統(tǒng)無損檢測方法相比具有沿傳播路徑衰減小，傳播距離遠，引起的質(zhì)點振動能遍及構件內(nèi)部和表面的特點，因此表現(xiàn)出更大優(yōu)勢[1]。超聲導波在傳播過程中存在多模態(tài)和頻散特性，若激勵源選擇不當，導波發(fā)生嚴重頻散，會使回波信號變得極為復雜，不利于缺陷分析。根據(jù)導波頻散特性曲線可知，在50kHz～500kHz范圍內(nèi)，L（0，2）模態(tài)超聲導波傳播速度zui快zui穩(wěn)定，幾乎不發(fā)生頻散。用漢寧窗調(diào)制該頻段內(nèi)一定周期數(shù)的單音頻信號，形成窄帶脈沖作為激勵源，激勵出L（0，2）模態(tài)占主導的超聲導波，可zui大限度地避免頻散帶來的不利影響[2]。
　　
　　目前出現(xiàn)了多種超聲導波激勵信號發(fā)生器設計方案。一是利用多功能函數(shù)發(fā)生器如HP33120A[3]實現(xiàn)。由于HP33120A存儲長度有限，長距離檢測時脈沖間會出現(xiàn)干擾，zui高調(diào)制頻率不高[4]。二是采用單片機控制DDS芯片設計，精度較高，但定制性較弱，且一般需要兩片以上DDS芯片，成本昂貴。還有一種方法是用高速單片機控制D/A轉(zhuǎn)換芯片直接輸出信號，方便易行，然而精度較低，激勵頻率受到單片機頻率限制，而且很難做到連續(xù)可調(diào)。為了解決上述設計方案的不足，本設計在Xilinx公司FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）上，以MicroBlaze軟核處理器為控制核心，借鑒直接數(shù)字頻率合成DDS（DirectDigitalFrequncySynthesis）技術，給出了一種產(chǎn)生L（0，2）模態(tài)超聲導波激勵信號源的SoPC（SystemonProgrammableChip）實現(xiàn)方法。所得激勵源精度高，漢寧窗調(diào)制下的單音頻正弦波周期數(shù)可調(diào)，頻率連續(xù)可調(diào)。
　　
　　1系統(tǒng)整體方案設計
　　
　　本系統(tǒng)以Xilinx公司Spartan3E-Starter開發(fā)板為硬件平臺。此開發(fā)平臺外設資源較為豐富，通過增加少量的外圍設備即可實現(xiàn)系統(tǒng)設計。Spartan3E系列FPGA是Xilinx公司的FPGA芯片，可較好地滿足產(chǎn)品的高集成化與低成本化[5]。其內(nèi)部MicroBlaze軟核處理器采用功能強大的32位流水線RISC結構，包含32個32位的通用寄存器、2個32位特殊寄存器，可具有3/5級流水線。時鐘頻率高達150MHz。以IBMCoreConnect技術為基礎，提供了豐富的接口資源。其中PLB（處理器本地總線）總線提供對片上外設、外部存儲器以及基于硬件描述語言編寫的算法模塊的訪問，和其他外設IP核一起，完成嵌入式的SoPC開發(fā)。超聲導波激勵源的SoPC實現(xiàn)結構如圖1所示。
　　FPGA實現(xiàn)所有數(shù)字電路部分。MicroBlaze軟核處理器是系統(tǒng)的控制核心，通過LMB（本地存儲器總線）訪問程序存儲空間BRAM，PLB總線掛載所需IP核。例化GPIO接口連接鍵盤，負責激勵信號的頻率設置。LCD1602用于當前頻率值顯示。自主編寫的DDSIP為系統(tǒng)波形發(fā)生的核心，直接產(chǎn)生激勵源波形。MDM為系統(tǒng)的調(diào)試模塊，RS232用于和PC機通信或程序調(diào)試。使用Xilinx嵌入式開發(fā)套件EDK自帶的數(shù)字時鐘管理DCM（DigitalClockManager）IP核，把50MHz輸入時鐘分頻，分別為DDS模塊和外部高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC902提供穩(wěn)定的5MHz和50MHz時鐘信號。程序通過JTAG下載到FPGA內(nèi)部的BRAM，或者片外PROM中存儲。FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過DAC902轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)過低通濾波器去噪，即可獲得高質(zhì)量的超聲導波激勵信號源。
　　
　　2超聲導波DDSIP核設計
　　
　　2.1DDS算法原理
　　
　　DDS是根據(jù)采樣定理，通過查找表方法產(chǎn)生波形。通常為正弦波、余弦波、三角波或方波等。完整的DDS結構示意圖如圖2所示。在參考時鐘的驅(qū)動下，Nbit相位累加器對頻率控制字K進行相位累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應的波形幅度值。將該值送給DAC和低通濾波器LPF，實現(xiàn)量化幅值到一個平滑信號的轉(zhuǎn)換。當相位累加值大于2N時，相位累加器產(chǎn)生一次溢出，溢出頻率就是DDS的輸出頻率。輸出信號頻率fout可表示為：


　　
　　由DDS原理可知，相位累加器的位數(shù)N決定DDS的精度。N值越大，DDS的頻率間隔?駐f就越細。但N值增加，所需ROM容量也將成指數(shù)增加。實際上在一般系統(tǒng)中，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)m是一定的，通常選取累加器的輸出位數(shù)N=m+2，即可滿足需要[6]。設計中DAC902為12bit，取累加器為14bit，調(diào)制脈沖zui大幅值為212，即4096。借助Matlab，生成由漢寧窗調(diào)制10個周期正弦波的窄帶脈沖波形，如圖3所示。
　　
　　本設計基于DDS技術，采用VerilogHDL硬件描述語言設計直接產(chǎn)生導波激勵波形的DDS模塊，頂層原理如圖4所示。

　　
　　L（0，2）模態(tài)超聲導波的50kHz~500kHz頻率是指單音頻信號頻率（如圖3所示，10個周期，設單音頻率為f0），而非DDS輸出頻率fout。由Tout=10T0，得fout=f0/10。所以DDS輸出fout應為5kHz～50kHz。系統(tǒng)主時鐘為50MHz，在DDS輸出zui高頻率為50kHz時，為實現(xiàn)0.3kHz（單音頻3kHz）步進值，10周期窄帶脈沖取樣點數(shù)不少于100點，以減小失真，則時鐘頻率必須大于4.9MHz。將系統(tǒng)主時鐘10分頻，得到5MHzDDS時鐘頻率。頻率控制字取8bit就可滿足要求。
　　
　　累加器模塊Accu對頻率控制字K累加，并將結果的低14位sum[13：0]送給下一級Reg寄存器，作為ROM地址。Accu的zui高位sum[14]為判斷位。在累加過程中，當相位sum[14]為1時，累加器清零，完成一次脈沖發(fā)射。然后通過一個計數(shù)器實現(xiàn)延時功能，使激勵脈沖每隔1ms發(fā)射一次。
　　
　　ROM模塊采用ISE中ROMIP核直接定制。如果在系統(tǒng)中添加多個ROM，每個ROM中分別載入不同周期的調(diào)制脈沖，可實現(xiàn)激勵源的周期可調(diào)。借助Matlab，把圖3窄帶脈沖量化成12bit的定點波形數(shù)值，形成.coe文件并加載到ROM中。
　　
　　將頻率控制字K設為23時，輸出頻率fout等于7kHz，對應單音頻信號為70kHz。Modelsim仿真波形如圖5所示。
　　
　　3系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
　　
　　3.1外設IP核掛載
　　
　　利用EDK的XPS，創(chuàng)建MicroBlaze硬件平臺。通過BaseSystemBuilderWizard快速添加配置，如RS232、GPIO、BRAM等。對于自主編寫的DDS模塊，使用Create/ImportPeripheral工具，適當修改userlogic和IPIF兩個自動生成文件，可將自己的邏輯模塊掛接在PLB總線上，無需過多關心自定義IP與PLB總線的協(xié)議和接口邏輯。在XPS中添加自帶的DCM時鐘管理模塊，為DDSIP和DAC提供穩(wěn)定的時鐘輸入。zui后為所有外設分配地址，建立端口連接。



　　
　　4軟件設計
　　
　　軟件部分在SDK中通過C語言編寫完成，主要包括初始化、GPIO口鍵盤值讀取、LCD顯示、DDS頻率字輸入和調(diào)節(jié)等。由于導波頻率在50kHz～500kHz，跨度較大。為方便實際檢測，設計了頻率粗調(diào)和微調(diào)功能。系統(tǒng)鍵盤包括設置鍵（Set）、粗調(diào)鍵（Adjust）、微調(diào)鍵（Fine）、確認鍵（OK）以及復位鍵（Reset）。上電后，頻率控制字K為初始值16，系統(tǒng)產(chǎn)生50kHz默認頻率激勵信號。每按一次粗調(diào)鍵（Adjust），K值增加，分別對應70kHz、120kHz、170kHz等基數(shù)頻率。用微調(diào)鍵（Fine）以3kHz為步進值進行細調(diào)。通過寫寄存器語句DDS_IP_mWriteReg將K值賦給DDS模塊，產(chǎn)生相應頻率激勵信號。程序流程如圖8所示。

　　
　　5實驗結果分析
　　
　　系統(tǒng)上電后，在鍵盤上選擇激勵頻率值為70kHz，使用NIPCI-5102數(shù)字化儀的虛擬示波器對輸出信號進行采集和分析。捕捉到的激勵信號如圖9所示。由面板參數(shù)可知，波形zui高幅值1.5V，包含10個周期單音頻信號的窄帶脈沖寬度約為0.142ms。改變鍵盤輸入，對輸出信號進行FFT頻譜分析，如表1所示。實驗結果表明，此設計產(chǎn)生的激勵信號精度高，波形純凈，性能良好，頻率連續(xù)可調(diào)，較好地滿足了設計要求。

　　
　　利用SoPC技術，給出了一種新的超聲導波激勵信號發(fā)生器的設計方法。重點論述了導波DDS模塊的實現(xiàn)過程。把系統(tǒng)的主要功能集成在單片F(xiàn)PGA內(nèi)，減少了外圍電路，體積小，功耗低，抗*力強，易于擴展和升級，有效降低了設計成本。產(chǎn)生的激勵信號精度高，穩(wěn)定性好，頻率連續(xù)可調(diào)。本設計可方便地應用到管道超聲導波缺陷檢測中，并為開發(fā)小型化、集成化的導波檢測系統(tǒng)提供了可能。
　　
　　參考文獻
　　
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　　[6]王金明.數(shù)字系統(tǒng)設計與VerilogHDL（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：285-286.