千兆以太網在多通道超聲探傷儀高速接口中的應用

桂 婧

（廣東技術師范學院天河學院電氣工程系 廣東 廣州 510663）

0 引言

自動化超聲波檢測系統通常包括超聲波探傷儀器（一般均采用多通道以提高檢測效率）、機械傳動機構、記錄裝置三大基本部分，本文就其中的超聲探傷儀部分的高速通信接口技術進行研究。

1 整機架構圖與功能分析

根據實際應用需求，本系統采用8通道檢測單元，系統架構見圖1。

圖1 多通道超聲探傷系統架構圖

整機系統由五個功能模塊組成：

1.1 超聲探頭：為了更加全面的對被

檢工件進行監測，需要從多個角度觀察，采用多角度的探頭組合，包括45度、63度、70度斜探頭各2個，0度雙晶1個。

1.2 收發模塊

①發射采用非諧振式電路，平衡穿透力與分辨力；

②接收電路采用預放、濾波、主放大這樣一個流程；

③采用低噪聲高增益放大器件，增益調節范圍可達114dB；

④硬件濾波電路，頻帶范圍有0.5—20m、1—6m、3—25m三種可選；

1.3 數字信號處理與收發控制模塊

①負責接收ADC送過來的射頻數字信號流，經檢波、抽取，然后經網絡接口送給PC模塊；

②根據需要，可以實現全波、+/-半波檢波；

③不同的探測深度，固定的屏幕顯示分辨率；

④為了避免缺陷漏判，考慮峰值保持，如此壓縮過程就是一個非均勻的處理；

1.4 PC 模塊；

1.5 電源模塊。

2 千兆以太網的嵌入式解決方案概述

2.1 千兆以太網簡介

以太網技術是當今應用廣泛的網絡技術，千兆以太網技術繼承了以往以太網技術的許多優點，同時又具有諸多新特性，例如傳輸介質包括光纖和銅纜，使用8B/10B的編解碼方案，采用載波擴展和分組突發技術等。正是因為具有良好的繼承性和許多優秀的新特性，千兆以太網已經成為目前局域網的主流解決方案[1]。

2.2 整體設計方案

一個完整的以太網系統結構是包括用戶應用程序（Ap-plication）、以太網通信協議棧（TCP/IP Stack）、以太網控制器（Ethernet LAN Controller）和以太網網絡（Ethernet）四個部分[2]，該以太網控制器的總體結構設計框圖如圖2所示，整個系統分為MAC模塊、主機接口模塊和管理數據輸入輸出模塊。其中MAC模塊主要執行在全雙工模式下的流量控制，MAC模塊實現發送和接收功能。管理數據輸入輸出模塊提供了標準的IEEE 802.3介質獨立接口，可用于連接以太網的鏈路層和物理層。主機接口則提供以太網控制器與上層協議（如TCP/IP協議）之間的接口用于數據的發送、接收以及對控制器內各種寄存器的設置。

圖2 基于FPGA的千兆網總體設計框圖

3 關鍵技術分析

由于科技水平的發展，高性能多通道超聲無損探傷儀需要在工作時將實時采集到的圖像數據傳輸給PC機進行圖像的處理，然而隨著實時成像要求的不斷提高和圖像質量的不斷改善，要求的數據傳輸速率呈現出幾何級的增長趨勢。同時，在采集傳輸數據的過程中要求數據的完整性和正確性是非常重要的，少量的數據丟失都可能無法生成正確的圖像，給最終的物體探傷檢測判斷造成影響。所以，如何保證數據高速可靠的傳輸，成為超聲探傷儀設計中越來越重要的問題。

本系統中，圖像顯示存儲與操作控制均在PC機上實現，受機械傳動機構的限制，要求PC機與超聲檢測單元相距至少6m；大容量實時數據傳輸速度要求達到10MB/s。

當今可用于工業環境的高速通信接口包括：PCI、PCI-E、USB3.0、藍牙2.0、WIFI和有線網絡等。但受6m距離的限制，PCI、PCI-E、USB3.0三種接口不可用；藍牙2.0的實際穩定速度建議為10kB/s，不滿足速度要求；WIFI理論速度13.5MB/s，速度達到要求，但由于工業環境比較復雜，在準確性穩定性方面存在一定的不確定性；而有線網絡，尤其是千兆網絡，采用TCP/IP協議速度可以達到18MB/s，且穩定可靠，是一個理想的選擇。

4 總結

隨著SOPC、嵌入式操作系統以及嵌入式千兆以太網技術的發展，為超聲探傷儀的數據傳輸，提供了高效廉價的嵌入式千兆以太網解決方案。嵌入式千兆以太網使得數據傳輸的實時性得到保證，同時千兆以太網采用的傳輸介質大大提高了數據傳輸的穩定性，并且由于采用了通用性強的基于網絡SOCKET編程的TCP／IP協議，有著很強的通用性和移植性。

［1］張旭輝，馬宏偉.超聲無損檢測技術的現狀和發展趨勢.現狀·趨勢·戰略，2002:24－26.

［2］Altera Corp.Accelerating Nios II Networking Applications，2009.

［3］Marvell Semiconductor,Inc.88E1111 Datasheet：Integrated 10/100/1000 Ultra Gigabit Ethernet Transceiver，2004.

［4］W.Richard Stevens.TCP/IP 詳解（卷 1：協議）.范建華，等，譯.機械工業出版社，2000.