摘 要:分析了声发射信号和常见声发射数据采集系统的特点,提出了一种基于USB2. 0 和CPLD 构建的多通道高速声发射数据采集系统的方法。介绍了系统基本结构、工作原理以及其中信号放大、反混叠滤波、USB 通信和CPLD 逻辑实现部分。经实际测试与应用,该系统最高采样频率可达10 MHz ,USB 传输速率可达40 MB/ s ,且功耗较低、携带方便,可以满足对声发射信号的实时监测应用。
声发射检测技术作为一项无损检测新技术,其主要特点在于能够检测到那些在受载过程中的活动缺陷。与常规无损检测方法相比,其检测速度快,检出的缺陷准确。但声发射信号的强度一般都比较弱,需要借助敏感的传感器和电子仪器才能检测出来;另外在实际应用中,由于外界干扰使得接收到的声发射信号除包含有效的特征信号外,还存在大量干扰和噪声信号,需要提取有用的声发射信号[1 ] 。目前比较常见的是基于PCI 总线的声发射数据采集系统,其最大特点是通道数多、采样率高和传输速率快。然而这种基于PCI 总线的设计也具有一定的局限性,即安装麻烦、体积较大、价格昂贵且操作复杂;受计算机插槽数量、地址和中断资源限制,可扩展性差且不易维修;在一些电磁干扰性强的测试现场,无法专门对其作电磁屏蔽,导致采集的数据失真[2 ,3 ] 。
通用串行总线USB 是用来连接外围设备与计算机之间的新式标准接口总线,它是一种快速、双向、同步传输、廉价并可实现热拔插的串行接口。该总线接口具有安装方便、带宽高和易于扩展等优点,已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。在综合比较了几种数据传输方式的优缺点[4 - 6 ] 后, 笔者选用USB2. 0 总线和CPLD 芯片,设计并实现了一种声发射高速数据采集系统。
1 系统描述
传统的模拟声发射采集系统通过模拟电路和后续的计数器实现最终的声发射参数采集,但为了更加准确地对检测对象进行定性、定量和定位分析,需要获取到大量的声发射原始波形数据,对采集到的数据同时进行时域和频域分析。同时,声发射特征参数提取也将是由软件控制,以进一步提高系统灵活性,而不仅仅是通过模拟电路来实现。且由于声发射信号频率范围很宽,高频可达1～2 MHz ,根据材料特性的不同,其声发射频率亦有所变化[7 ,8 ] 。
因此,必须研制能大吞吐量获取声发射全波形数据的多通道声发射数据采集系统,且要求多通道同步采集,以利用信号到达各通道的时间差进行源定位分析。笔者设计的数据采集系统内含四路并行声发射信号采集通道,由软件设置阈值,各通道同步触发采集,通过电缆将传感器检测到的声发射信号输入到下位数据采集模块,再由该模块实现声发射信号的增益放大、反混叠滤波及A/ D 转换,并根据传输协议通过USB 接口上传给上位机,由上位机对波形数据进行特征提取与信号处理。同时上位机将数据采集模块的设置参数通过USB 接口传输给CPLD芯片,对数据采集模块进行控制。系统设计的各通道的最大同时采样频率为10 MHz ,采样精度为12 位,且信号增益参数和采样频率范围均为软件可调,以满足不同的应用场合。另外,系统采用连续采样,软件触发传输,由上位机设置触发条件,以剔出零值附近的电噪声干扰,提高数据传输的实时性。上位机对接收到的有效声发射波形数据进行存储、显示和进一步处理。这种设计可兼顾声发射数据采集系统的可操作性和高采样率、高传输速率的要求,适合现场的工程应用。
2 系统实现
2. 1 数据采集模块硬件实现
针对声发射信号的频率较高、信号较弱且信号量较大的特点,数据采集模块硬件设计如图1 所示,主要包括放大滤波、A/ D 转换、FIFO 高速缓存、USB 通信协议接口和CPLD 时序逻辑控制。从传感器输出的微弱声发射信号经过带有干扰屏蔽的电缆线输入到数据采集模块前端放大器的输入端,放大器选用ADA4851 ,采用反相输入方式,正负电源供电。经放大后经过反混叠滤波器(低通滤波器) 滤掉高于信号最高频率的噪声,反混叠滤波器选用凌特公司的L T1568 ,它可实现两个独立的低通滤波器,其范围是200 kHz ≤f c ≤5 MHz。同时利用数字电位器X9428 实现放大增益参数和反混叠滤波
截止频率软件可调。再经过0. 1 uF 的隔直电容输入到A/ D 输入端, A/ D 转换最高采样率为20MSPS ,典型信噪比为SNR = 67 dB。A/ D 转换器转换成数字信号送入CPLD 逻辑处理芯片,CPLD对采集到的数据作一些逻辑判断,将低于阈值的A/D 采样数据视为无效数据,CPLD 不进行读操作;若输入缓冲器内的数据高于阈值,则对数据作相应的通道标记后送到输出缓冲器FIFO。USB 控制器检测到FIFO 中有效数据时,通过GPIF 把数据读走并送给上位机处理。
选择CY7C68013 作为接口芯片。该芯片支持USB2. 0 协议,带有8kB 片内RAM 的高速CPU ,16位并行地址总线和8 位数据总线, I2 C 总线,4 kBFIFO 存储器以及通用可编程接口( GPIF) ,串行接口引擎(SIE) 和USB2. 0 收发器[9 ] 。数据采集模块在CPLD 和USB 控制器之间用一块FIFO 作为数据缓冲存储器,并利用CY7C68013 的GPIF 接口与CPLD 进行通信, 即在高速传输的过程中,CY7C68013 的微控制器内核不介入传输通道,并行数据的读入和打包全部由硬件完成,这样可以提高数据的传输速率。因此,需要对GPIF 进行硬件配置。在配置GPIF 时,微控制器仅用来配置波形描述符。配置完成后,微控制器退出数据传输通路。GPIF 通过读入的波形描述符,在相应引脚上产生一系列信号,包括控制信号和读写数据总线的信号,从而完成高速传输。
另外,在CPLD 内部设置命令寄存器和参数寄存器,主机通过USB 控制器发送命令和参数给CPLD ,控制FIFO 的读写及采样频率的设定,实现与主机之间的通信及数据传输。CPLD 接收到采样命令后,若采样到有效数据时就将A/ D 转换结果送给FIFO。同时,当USB 芯片CY7C68013 检测到外部FIFO 不空时,USB 控制器就启动GPIF ,把数据从外部FIFO 读到内部端口的FIFO ,再由USB 引擎打包并将数据帧传输到上位机进行处理。实现电路如图2 所示,由于在此传输过程中,微控制器并不参与通信,所以数据传输速率很高,可以满足声发射的高速数据传输要求。
2. 2 系统软件流程
2. 2. 1 上位机软件
上位机软件为图形化的虚拟仪器软件交互界面,采集与处理程序主要负责: ① 整个系统的启动初始化。②向下位机通过USB 接口发送各种设置参数,如放大增益、数据采样长度、采样频率和反混叠滤波截止频率等。③ 读取有效声发射数据。④对读取的声发射数据进行保存、显示和频谱分析。主机流程图如图3 所示。
为了进一步提高声发射数据的传输速度,充分利用USB 总线的带宽,上位机软件采用多线程设计,建立数据采样、保存以及显示三个独立线程,并通过各线程之间的同步,保证系统的实时性要求。
2. 2. 2 USB 固件
固件程序辅助硬件实现设备双向交换数据以完成USB 通信,其主要功能是解释主机发送来的指令,控制数据传输流程和CPLD 的动作。基于Keil2C 的USB 固件主要包括了固件框架函数、初始化函数、用户功能函数、用户命令函数、中断向量表和设备描述文件等。初始化函数TD_ Init () 主要用于进行自定义变量的初始化工作,对USB 为控制器内部各个寄存器作相应配置; 用户命令函数DR_Ven2dorCmnd () 主要用于解释上位机发来的各种命令;用户功能函数TD_Poll () 负责实现用户命令和所需的功能。其工作流程为:当将声发射数据采集模块插入上位机USB 口时,USB 固件FX2 通过USB 电缆会自动枚举且下载固件和USB 描述符表;接下来,FX2 再次枚举,这次主要通过下载的信息来定义设备。这两个步骤就叫作重枚举,重枚举后进行初始化,配置各个寄存器。然后再通过标志位判断调用用户功能函数TD_Poll () 、保存各种设置参数、判断FIFO 状态、控制GPIF 读入FIFO 中的声发射数据和复位FIFO 等。
2. 2. 3 数据协议格式
CPLD 把采样得到的数据通过USB 发送到上位机。因为系统的A/ D 精度为12 位,所以各通道的采样数据均采用两个字节表示,数据帧格式如下:每个通道数据均用16 位表示,低14 位为有效数据,高2 位为通道编号: 00 为1 通道,01 为2 通道,10为3 通道,11 为4 通道。数据包的大小也由上位机设置,其计算公式为:
N = 4 ×Tf
式中 N ———数据大小,kB ;
T ———单个声发射事件采样时间,ms ;
f ———采样频率,MHz 。
3 系统应用
以监测混凝土负载加压声发射试验为例,介绍系统在实际中的应用。试件采用3 m(长) ×0. 3 m(宽) ×0. 4 m(高) 的C30 混凝土,使用的声发射传感器为瑞典COVIAL DEVICE 公司提供的AE201型声发射传感器,传感器紧贴于被检测物件的表面。现场试验和采集结果如图4 所示。试验中的采样通道为4 通道,采样频率选取为每通道10 MHz ,截止频率为2 MHz 。图5 为加压到4 0 kN 时采集到的
部分声发射信号的完整时域波形以及上位机作FF T 变换后的频域图。由图可以看出,其信号所含频域成分较复杂,采用全波形声发射高速数据采集系统可以完整记录原始声发射信号,便于进一步的特征信号提取与分析。
4 结论
根据声发射信号的特征, 设计了一种基于USB2. 0 的多通道声发射高速数据采集系统。经实际应用结果显示,系统传输速率可达40 MB/ s ,A/ D采样精度为12 位,可实现声发射数据的连续采集、显示和保存,满足了系统实时传输的要求。且系统实现了信号输入输出放大增益可调、反混叠滤波器截止频率可调和采样频率可调,最高采样率可达10 MHz。下位数据采集模块实现USB 供电,功耗较低且携带方便,适于对大型设备进行声发射测试与诊断。
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