摘 要： 隨著超聲探傷技術的發展，探傷數據處理的高速化和網絡化已成為一種趨勢。介紹了一種超聲探傷回波信號處理的方法，采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA與以太網硬件協議棧芯片W5300，并結合高速數據壓縮器，設計了一種基于以太網的多通道高速數據處理電路。給出了數據壓縮器的設計原理及網絡數據傳輸模塊的設計方法，闡明了系統各模塊的工作方式，并給出測試結果，實現了一種高速、高穩定性的數據處理電路。
關鍵詞： 超聲探傷；數據壓縮；FPGA；W5300；以太網
鋼板表面傷的檢測是超聲波探傷領域的一個重要應用，隨著探傷技術的發展，對于數據的實時性要求越來越高，且由于以太網數據傳輸具有成本低、傳輸距離遠的特點，因此網絡化數據傳輸也是一個重要的研究方向。
對鋼板表面進行探傷時，鋼板上方的一排超聲探頭分別向鋼板發射超聲波并接收回波，該回波信號經A/D轉換后送入到數據處理模塊進行處理。由于數據量非常大，需對其進行數據壓縮，壓縮后的數據再送入網口進行傳輸。本文首先利用FPGA設計數據壓縮器電路，再將壓縮后的數據送入網絡數據傳輸模塊的輸入端，通過FPGA設計邏輯電路控制硬件協議棧芯片W5300[1]實現高速數據傳輸，最終達到實時探傷的目的。該方法實現較容易，集成度高，穩定性好，可進行廣泛應用。
1 系統構成
該系統由數據壓縮器電路、網絡數據傳輸模塊、有限狀態機和W5300網絡通信電路組成。系統原理框圖如圖1所示。
首先進行系統的初始化，對數據壓縮器的初始值和W5300的工作方式進行配置。再將經A/D變換后的探傷初始數據送入到數據壓縮器中壓縮，以預設數量的數據為一組，經過壓縮后將數據送入FIFO電路中，等待網絡數據傳輸模塊調用。當系統檢測到FIFO中有數據時，利用有限狀態機控制網絡數據傳輸模塊和W5300，通過以太網發送壓縮后的探傷數據至上位機，進而實現高速數據傳輸。
2 系統原理分析
2.1 數據壓縮器
超聲探頭一般工作在2 MHz~5 MHz，經A/D采樣后的數據量會非常大，而上位機接口繪制曲線的刷新次數在25次/s以上即可清晰顯示波形圖像[2]，因此需對采樣的數據進行壓縮，從而加快數據處理的速度，減少資源的占用。
數據壓縮器的原理框圖如圖2所示。初始時，對較大數寄存器和較小數寄存器賦初值,分別為00H和FFH。將當前采樣來的數據分別放入較大數比較器和較小數比較器，并與寄存器中的數據進行比較，若該數據大于較大數或小于較小數，則將該數存入對應的寄存器中并替換原來的數據，否則寄存器中數據不變。與此同時，計數器對數據量進行計數，若計數值滿足預先設定的數據量，則將計數器中的值送入到對應的FIFO中等待下一步處理。
FIFO數據讀取電路首先檢測FIFO當前狀態，若其中有數據，則進行讀取，并將該數據送入FPGA內部配置的寄存器中等待發送。
網絡配置及時序電路負責對W5300進行初始化設置和讀、寫時序的設計。該芯片內部集成10/100 Mb/s以太網控制器、MAC和TCP/IP協議棧，支持8個獨立端口同時連接，通信速率最高可達80 Mb/s[4]。本系統中，需拉高BIT16EN引腳設置W5300工作在16位數據總線模式，將TEST_MODE[3:0]和OP_MODE[2:0]接地，使用內部PHY，并配置為全功能自動握手方式[5]。為提高數據傳輸的速度，配置相應寄存器使W5300以DMA方式工作在UDP模式下。讀、寫部分通過Verilog語言編寫相應代碼，搭建純硬件數據處理電路，等待狀態機調用。
有限狀態機負責對芯片的復位、初始化和數據的讀寫進行控制，采用兩段式構成。由于W5300需單獨復位后方能正常工作[6]，系統上電后由FPGA自動發送復位脈沖至W5300。復位完畢后進行初始化，初始化完畢后判斷當前FIFO狀態，待FIFO中存在數據時執行讀操作和寫操作，再將數據發送到上位機，完成網絡數據傳輸的過程。之后返回初始化后的狀態，等待下一個數據。有限狀態機的狀態轉移圖如圖4所示。
利用FPGA和W5300搭建純硬件網絡通信電路，能夠將大量數據通過以太網進行高速傳輸，方便對生產過程進行遠程控制和實時監測。結合數據壓縮器，能夠在數據量較大時，依據實際需要選取一定數量的、具有代表性的數據進行發送，提高了數據傳輸的效率，并節約資源。該方案開發周期短，成本低廉，易于維護，有著較高的穩定性和可靠性，且配置較為靈活，實用價值較高，可用于數據量較大的高速超聲探傷領域中。
參考文獻
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