超声回波信号特征提取器的设计.pdf

S i g n a lP r o c e s s & S y s t e m 超声回波借号特征哭璐修设计夕 摘要：本文提出一种结合模拟电路和C P L D 器件对超声回波信号特征提取的方法，提取的特征量包括时 间、能量和幅值信号。通过对超声回波信号特征的分析，该方法利用微分器、积分器、延时电路、波门电 路、计数器以及峰值保持模块，直接对检波后的超声信号进行处理提取信号特征。最后对各个模块进行了 模拟仿真，结果表明本文提出的电路设计可以实现对超声回波特征的提取，能够提高精度和检测效率，并 为进一步自动检测开发提供了基础。 关键字：超声检测；特征提取；P K D 0 1 ；C P L D 中图分类号：T B 5 5 1文献标识码：A文章编号：10 0 6 - 8 8 3 X ( 2 0 10 ) 0 9 - 0 0 2 9 0 4 刘晨秦鹏王鉴韩焱 r _ 一、引言 超声检测凭借设备轻便、成本低、检测效率高以及对人体无害的特点，广泛应用于无损检测领域。传统 的A 型超声探伤仪通过模拟电路检测超声回波信号来判断材料缺陷，根据反射波形判断缺陷类型等，这种方 法常常由于操作人员主观因素的影响，而使检测结果不一样；另外操作人员4 i 能长时间参与实时检测结果的 在线分析，检测精度和效率都受到了很大限制。因此，针对超声高频模拟信号输出，采用硬件实现特征的提 取，比直接对A D 采用的超声回波信号再提取提高了速度，更适用于在线检测。本文结合模拟电路和V H D L 语言，使用模拟器件和C P L D 实现对超声回波信号特征的提取，提高了检测效率和检测精度。 二、超声信号特征分析 在超声探伤中，由探头产生具有特定频率的超声波信号，当被测件内部有瑕疵存在时，信号特征会发生 变化。超声回波信号是一非周期信号，口丁用x ( f ) ( 岛x 1 ) 表示。当被测件有瑕疵时，x ( f ) 的波形将发生变化。 信号特征能够表征信号在物体内部的传播特点，对信号特征的提取过程就是对物体内部瑕疵的检测过型1 1 。 通过超声回波信号波形的分析，得出了能够反映瑕疵信息的几种特征，并且这些特征也基本反映了超声 回波信号的特点。超声回波信号特征包括时间、幅值和能量特征信号。 三、超声信号提取器的设计 本对通过时间特征模块，峰值保持模块和能量特征模块的设计来实现对超声回波信号的提取，总体框图 如图l 所示。 l 、时间特征模块 时间特征模块的设计是以微分器电路和C P L D 为基础的，具体原理是：首先对波门内超声回波信号进行 微分处理，然后通过计数信号发生器，当检测到触发脉冲的上升沿时开始计时，检测到回波信号的上升沿时 停止计时，这段时间就是我们要提取的时间特征。实现框图如图2 所示。 2 0 1 0 0 9S e n s o r W o r l d w w w s e n s o r w o d dG o m c n 万方数据 S i g n a lP r o c e s s S y s t e m 与系统 ( 1 ) 波门信号发生器 波门电路分为两部分：一部分是以触发脉冲为基准的波 门发生电路，另一部分是延迟时间和波门宽度时间设计电路 键盘设置电路。这一部分是使用C P L D 器件实现的【2 】o 波门发生电路主要由计数器组成，为了满足延时精度的 要求，首先对电路中的时钟分频为1 M H z ，即一个时钟周期 为l 邺，便于实现精确延时。波门发生电路是一个脉冲延时 和脉宽拓宽电路。采用两个四位计数器，对输入1 M H z 的时 钟信号进行计数。要求每次在触发脉冲上升沿到来时开始延 时，并在延时结束后产生宽度为D t 的波门信号。用V H D L 硬 件描述语言进行硬件电路设计时，同一个进程中不能用2 个 时钟来触发，而时序图中又要求在触发脉冲的上升沿开始延 时，为此在该电路中加入了一个或门以保持使能信号。程序 框图如图3 所示。 当触发脉冲上升沿到来时，曲信号使能，并根据d te l l 和p te n 的状态使能d te l l ，当d t 使能后开始延时计数， 计数结束后置d te n 为低电平，同时置P te l l 为高电平并开始 计数，计数满后置底即可，波门信号w a v eg a t e 就等于p t 。ell 键盘设置电路包括波门延迟时间设置和波门脉宽时间设 置，分别定义两个键为波门延迟时间和波门脉宽时间设置键。 程序流程图如图4 所示。 以波门延迟时间为例，首先按下波门延迟时间键，然后 当检测到数字键按下时，键值存入寄存器，输入完成时，按 下确认键则进行下一位的设置，当所有位都设置完成，再按 下确认键则将相应的延迟时间赋值给延迟电路。 另外，在按键防抖设计中运用了一个同步电路： k e y 3 _ t m p l = n o tk e y 3 ； k e y 3 _ t m p 2 = k e y 3 _ t m p l ； k e y 3 s t a t e = k e y 3 _ t m p la n d ( N O Tk e y 3 _ t m p 2 ) ； 这是一个同步整形电路，在进程中，信号不是在改变值 之后立即变化的，其他语句使用的还是该信号的旧值；如果 k e y 3 在时钟周期内出现抖动，则因为不执行进程，所以输出 无影响，还是被整成一个时钟宽度。所以不管是长按还是短 按，有效高电平宽度等于时钟信号。 ( 2 ) 微分器 微分电路【3 】就是为了能提取出回波信号的上升沿， R C 的时间常数必须满足下列条件：尺c 瓦，其中，瓦为输入 回波信号的宽度。一般按R C 1 0R I = l O O k Q 。R 2 为静态平衡电阻，用来补偿 偏置电流所产生的失调，一般取R 2 = R I I R 3 = 9 1 k Q 。 四、结果与分析 l 、波门发生电路仿真结果 波门信号时序仿真图如9 所示。s y n c 是出发脉冲信号， w a v e _ g a t e 为s y n c 经过了6 0 p s 的延迟生成的波门信号，并且 拓宽了6 0 p s 。图l O 波门信号延迟时序仿真图。s y n c 的起始 值为2 4 0 n s ，波门信号的起始值为6 0 4 9 p s ，差值为6 0 3 5 t t s ， 误差为0 3 5 1 a s 。 2 、积分器和微分器仿真结果 由于是对C T S 2 3 A 超声探伤仪检波之后的模拟信号进 行提取，所以使用m u l t i s i m 仿真时，为方便观察积分结果， 本文使用频率为1 2 5 I - I z 的方波信号，图l l 、图1 2 这仿真结 果。从仿真结果可以看出，由于是反向积分，形成在方波正 向时，经过积分波形斜率为负，在方波负向时，波形斜率为 正的三角波。信号在经过微分器时，无论是上升沿还是下降 沿，都形成一个尖脉冲，尖脉冲可用来触发计数器电路。 五、结论 本文从超声检测的原理出发，由现有超声探伤仪主要是 对整个回波信号进行分析的缺点引出只对超声回波信号特征 提取的思想，使用模拟电路和C P L D 综合设计进行时间、能 量和峰值特征量的检测，完成对回波信号特征值的提取，结 果表明本设计可以实现对超声回波信号的特征提取，提高了 检测效率和精度，并为以后超声自动检测的开发提供了基础。 参考文献 1 】王明泉，史步青，李建华超声检测信号的特征分析【J 】华北工学 院学报，1 9 9 8 ，1 9 ( 2 ) ：1 2 l 1 2 3 【2 】侯伯亨，顾新等V H D L 硬件描述语言与数字逻辑电路设计【M 】 西安：西安电子科技大学出版社，1 9 9 7 【3 】王吴，李听集成运放应用电路设计3 6 0 例【M 】北京：电子工业 出版社，2 0 0 7 【4 】刘晓佳，朱兆优，满在刚基于峰值保持器P K D 0 1 的采样保持电 路【J 】电子元器件应用，2 0 0 9 ，1 2 ：1 8 2 0 D e s i g no ff e a t u r ee x t r a c t o rf o ru l t r a s o n i ce c h os i g n a l L I UC h e r t ，Q 烈P c n g ，W A N GJ i a n ，H A NY a h ( N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a ，I n s t i t u t eo fS i g n a lC a p t u r i n g a n d P r o c e s s i n gT e c h n o l o g y , S h a n x iT a i y u a n0 3 0 0 5 1 ，C h n a ) 传感器世界2 0 1 0 0 9 s e n s o r w o d d m c n A b s t r a c t ：Am e t h o do ff e a t u r e se x t r a c t i o nf o ru l t r a s o n i ce h c o s i g n a lb yc o m b i n i n ga n a l o gc i r c u i tw i t hC P L Dh a sb e e n p r o p o s e di nt h ep a p e r T h cf e a t u r e sc o n t a i nt i m e e n e r g ya n d p e a ks i g n a l B yt h ea n a l y s o ft h eu l t r a s o n i ce c h os i g n a l f e a m 伦s ，t h ed i f f e r e n t i a t o r , i n t e g r a t o r , d e l a yc i r c u i t ，w a v eg a t e c i r c u i t ，c o u n t e ra n dp e a kh o l dm o d u l e sa l ea p p l i e dt oe x t r a c tt h e c h a r a c t e r so ft h ed e t e c t e du l t r a s o u n d s i g n a l F i n a l l yt h e s i m u l a t i o ni sp r e s e n t e d ，a n di tt u r n e do u tt h a tt h ed e s i g no ft h e m e t h o dc a nb eu s e dt od r a wt h ef e a t u r e so ft h eu l t r a s o n i ce c h o s i g n a l 1 1 1 em e t h o dC a l lb es u p p l i e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n d d e t e c t i o ne f f i c i e n c y , a n dp r o v i d et h eb a s i co ft h eu l t r a s o n i c a u t o m a t i cd e t e c t i o n K e y w o r d s ：u l t r a s o n i cd e t e c t i o n ；f e a t u r ee x t r a c t i o n ；P K D 0 1 ； C P I ，D 作者简介 刘晨，中北大学信息探测与处理技术研究所硕士研究生，研 究方向为超声信号检测，处理与分析 通讯地址：山西省中北大学4 5 8 号信箱邮编：0 3 0 0 5 1 E m a i l - x i a o x u e s d s 1 6 3 c o r n 秦鹏：中北大学信息探测与处理技术研究所博