基于FPGA和USB接口的超声波信号高速采集卡 (2011年)

在超声波钢轨缺陷检测系统中，需使用采集频率大于100 MHz的AD采集卡，为此设计了应用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)和基于USB 2.0接口的超声波信号高速采集卡．文中论述了硬件电路设计方案及程序设计方法，在基于CY7C68013的USB 2.0通用接口芯片上实现了大量数据传输的固件程序设计、驱动程序设计．该采集卡模拟信号采集频率可达100 MHz，数据传输速率大于20 Mb/s，可实时采集超声波信号，运行稳定，无丢包现象． ### 基于FPGA和USB接口的超声波信号高速采集卡 #### 研究背景 随着中国高速铁路的迅速发展，无缝线路技术已得到广泛应用。无缝钢轨在温度变化时会产生巨大的温度应力，这可能导致钢轨内部缺陷点出现断裂风险。因此，实时监测并预警钢轨内部的潜在问题对于确保高速铁路的安全运行至关重要。 #### 技术挑战 在钢轨缺陷检测领域，超声波无损检测技术被广泛采用。这一技术的核心在于能够高效、准确地采集和分析超声波信号。然而，传统的超声波信号采集卡往往难以满足高频率（大于100MHz）的采集需求，且市场上现成的高速采集卡价格昂贵。针对这一技术挑战，本文介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）和USB 2.0接口的超声波信号高速采集卡的设计与实现。 #### 设计方案 ##### 1. 硬件设计 - **AD转换芯片**: 本系统选用ADI公司的AD9433作为模数转换芯片。该芯片是一款12位单通道模拟信号转换器，最大转换速率为125MSPS，具备出色的动态性能。 - **模拟信号输入通道**: 为了实现模拟信号输入端的良好阻抗匹配，并且隔离直流分量，同时将单端信号转换为差分信号以便接入AD9433，设计采用了变压器交流耦合电路。 - **时钟输入**: AD9433支持差分或单端输入的编码时钟，为了达到最优的时钟性能，选择了差分输入模式。FPGA的PLL时钟模块提供稳定的时钟源。 ##### 2. FPGA逻辑设计 FPGA负责控制整个系统的时序，包括AD转换触发、数据缓存管理以及与USB 2.0接口的数据交互。具体包括： - **AD触发控制**: FPGA通过控制AD转换的触发，确保精确的采样时刻。 - **数据缓冲**: FPGA内部包含高速RAM用于临时存储AD转换后的数字信号，确保数据不会丢失。 - **USB 2.0接口控制**: FPGA通过专用的接口控制器（如CY7C68013）实现与计算机的高速数据交换。 ##### 3. USB 2.0接口设计 - **固件程序设计**: 在CY7C68013上实现固件程序，用于处理大量的数据传输任务。 - **驱动程序设计**: 开发定制的USB驱动程序，以优化数据传输效率。 #### 关键技术实现 1. **模拟信号处理**：采用变压器交流耦合电路进行信号转换，保证了信号的完整性。 2. **高速数据传输**：利用FPGA的高速特性，配合USB 2.0接口实现数据的实时传输，传输速率超过20Mb/s。 3. **稳定运行**：通过对硬件电路的精心设计和软件程序的优化，确保采集卡能够在长时间内稳定工作，不出现数据丢失的情况。 4. **成本控制**：相比于市面上同等性能的产品，自主开发的采集卡在保证性能的同时，降低了成本。 #### 结论 本研究成功设计并实现了基于FPGA和USB 2.0接口的超声波信号高速采集卡，该采集卡不仅满足了超声波信号采集的高速度要求（100MHz），而且具有良好的稳定性。此外，通过自主开发的方式有效控制了成本。这种采集卡可以广泛应用于超声波无损检测领域，特别是在高速铁路无缝线路的实时监测中发挥重要作用。