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超声数字信号处理软件固化及新型数字超声探伤仪的研制

庄圣贤  
【摘要】:该报告是本人在汕头超声电子股份有限公司博士后科研工作站期间所做的研究与开发工作的总结。主要取得了以下几个方面的成果:采用可编程ASIC技术实现了超声数字信号处理软件的集成与固化,并成功地应用于DSP处理的小型化数字超声探伤仪中;提出了一种基于PC平台和FPGA的新型嵌入式模块化的超声探伤仪的硬件与软件设计方案,研制了铁路机务系统专用的数字超声探伤仪;提出了基于离散小波变换的超声信号的噪声抑制方法,设计了对超声信号进行多尺度分析的正交FIR滤波器,通过仿真分析验证了基于离散小波变换的超声信号的多尺度分析方法的良好的噪声抑制性能。 为了解决传统的数字化超声探伤仪中重复频率和显示刷新频率较低的问题,我们将原有数字超声探伤仪中的一些信号处理电路和软件设计成了基于FPGA实现的可编程专用集成电路。在详细地讨论数字超声探伤仪的工作原理的基础上分析了超声信号的采样与数据压缩以及闸门设置的方法,针对液晶点阵显示驱动器的工作特点,提出了一种简洁而适合于硬件实现的波形显示点阵形成算法,并针对FPGA的结构特点,设计了一种具有数字检波、采样控制与数据压缩、闸门设置与报警、多种波形显示点阵形成功能的数字逻辑电路,经FPGA开发工具的分析、仿真与综合,生成了由Xilinx公司的Spartan XCS30XL集成实现的网表文件。采用所设计的FPGA器件对原来小型化数字超声探伤仪的硬件电路作了改进,使得新的数字超声探伤仪克服了软件串行处理方式所造成的超声探伤仪重复频率和显示刷新频率慢的缺点,并进一步提高硬件电路的集成度,减小整机的体积和功耗。通过对样机的现场测试与试用,证明了采用FPGA技术对提高超声数字探伤仪技术性能指标的可行性和优越性。 根据铁路机务系统对车轴和轮毂探伤的特点和工艺流程,确定了铁路机务专用数字超声探伤仪的各项性能指标,为使铁路机务系统专用数字化探伤仪具有一个灵活性好、适用性强、易于扩展以及信号处理速度快的硬件平台,提出了一种基于PC104总线和FPGA技术的硬件系统的嵌入式模块设计方案,并详细讨论了硬件电路的总体设计和通用模块的选择方法,设计了一个可调增益达84dB、总衰减量达110dB的超低噪声可编程增益控制电路,对电路中的采用的可编程放大器AD604、模数转换器AD9012、数模转换器AD7840主要器件的原理、特性及应用方法作了较为详细地介绍与分析。讨论了铁路机务探伤专用软件的模块式的设计方法,对各模块的功能以及主要设计流程均作了详细地讨论。根据所提出的性能指标和设计方案,完成了硬件和软件的调试,所研制的样机具有了铁路机务探伤的基本功能,经过进一步的完善,相信该产品可以


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