基于FPGA和DSP的数字式超声检测系统的研究

论文摘要

随着我国铁路高速重载战略的实施,铁路运输速度和能力稳步提升,铁道机车车辆在肩负着新的历史责任和任务的同时也面临着更加严峻的行车安全考验。机车车辆零部件性能的稳定是列车安全运行的重要保证,这些零部件在长期运营的情况下极易出现不同程度的损伤,对铁路安全运输构成威胁,严重时甚至引起重大的行车事故。因此,采用先进的检测技术和仪器对机车车辆在役零部件进行及时的检修,对于保证行车安全和铁路发展战略的加速实施具有重要的现实意义。论文针对目前铁道机车车辆超声检测领域模拟式检测系统的问题与不足,提出了一套以FPGA和DSP为核心的数字式超声检测系统方案,实现了高频率、低幅值的超声模拟信号的采集、处理、存储和传输。论文完成了检测系统的硬件电路设计工作。系统选用高速宽带放大器AD8099和AD603对超声回波信号进行了调理,并采用采样频率达40MHz的8位高速模数转换器TLC5540对调理后的信号进行采样量化；系统以FPGA器件EP1C3T144C8和DSP器件TMS320F2812为控制模块核心,解决了超声回波高速数据流的处理问题；此外,系统采用USB控制器CY7C68013作为与上位机通讯的接口完成采集数据的传输。论文在FPGA开发软件QuartusⅡ中完成了系统逻辑控制和数据缓存等功能模块的设计和仿真,验证了软件设计的有效性；系统采用C语言在DSP集成开发环境CCS中完成了系统的采集控制软件开发工作；另外,系统在Keil环境下进行了USB固件程序的编写与调试。论文在完成系统软硬件设计的基础上,在车辆实验室对所设计的数字式超声检测系统进行了功能测试。测试结果证明,该检测系统能够满足超声检测所需的高速数据采集、处理和传输的要求,提高了超声检测系统的自动化和智能化的程度,对于完善和发展超声检测具有很强的理论意义和现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 超声检测在轨道交通中的应用
• 1.2.1 机车轮对超声波检测
• 1.2.2 钢轨超声波检测
• 1.2.3 超声检测在铁道机车车辆其他方面的应用
• 1.3 超声检测仪器的发展历史和国内外研究现状
• 1.3.1 超声检测仪器发展历史
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.3.3 国内研究现状
• 1.4 论文研究意义和主要工作
• 1.4.1 论文研究意义
• 1.4.2 论文主要工作
• 第2章 超声检测的基本原理及方法
• 2.1 超声波检测的物理基础
• 2.1.1 超声波的类型
• 2.1.2 超声波的基本物理量
• 2.1.3 超声场及其特征参数
• 2.1.4 超声波的传播特性
• 2.1.5 超声波的衰减
• 2.2 超声检测方法
• 2.2.1 谐振法
• 2.2.2 脉冲反射法
• 2.2.3 脉冲透射法
• 2.3 超声检测仪器
• 2.4 本章小结
• 第3章 数字式超声检测系统总体方案设计
• 3.1 系统功能要求和性能指标
• 3.2 检测系统总体设计
• 3.2.1 系统硬件设计方案
• 3.2.2 系统软件设计方案
• 3.3 检测系统关键问题
• 3.3.1 高速率低幅值信号的调理
• 3.3.2 回波信号存储和传输
• 3.3.3 异步时钟域数据通讯
• 3.3.4 电路抗干扰
• 3.3.5 本章小结
• 第4章 数字式超声检测系统硬件设计
• 4.1 系统电源模块设计
• 4.1.1 主电源设计
• 4.1.2 信号调理模块电源
• 4.1.3 DSP电源设计
• 4.1.4 FPGA电源设计
• 4.2 信号调理模块设计
• 4.2.1 限幅保护电路
• 4.2.2 程控放大电路
• 4.2.3 带通滤波电路
• 4.2.4 电平偏置电路
• 4.3 数据采集模块设计
• 4.4 系统主控制模块设计
• 4.4.1 FPGA及其外围模块设计
• 4.4.2 DSP及其外设
• 4.5 数据传输模块设计
• 4.5.1 USB芯片选择及特性
• 4.5.2 USB接口电路设计
• 4.6 逻辑电平转换
• 4.7 电路抗干扰设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 数字式超声检测系统软件设计
• 5.1 FPGA软件设计
• 5.1.1 FPGA开发环境和设计流程
• 5.1.2 FPGA功能模块设计
• 5.2 DSP软件设计
• 5.2.1 DSP开发环境和设计流程
• 5.2.2 DSP程序模块化设计
• 5.3 USB软件设计
• 5.3.1 68013开发工具
• 5.3.2 68013固件程序设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 数字式超声检测系统调试及实验
• 6.1 检测系统调试平台
• 6.2 检测系统独立模块功能测试
• 6.2.1 信号调理模块功能测试
• 6.2.2 A/D转换器精度评估
• 6.2.3 采集控制模块功能测试
• 6.2.4 USB传输测试
• 6.3 检测系统总体调试
• 6.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文