以太網超聲探傷數據處理電路設計

傅 元，姜俊宏，丁振宇

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110870)

鋼板表面傷的檢測是超聲波探傷領域的一個重要應用，隨著探傷技術的發展，對于數據的實時性要求越來越高，且由于以太網數據傳輸具有成本低、傳輸距離遠的特點，因此網絡化數據傳輸也是一個重要的研究方向。

對鋼板表面進行探傷時，鋼板上方的一排超聲探頭分別向鋼板發射超聲波并接收回波，該回波信號經A/D轉換后送入到數據處理模塊進行處理。由于數據量非常大，需對其進行數據壓縮，壓縮后的數據再送入網口進行傳輸。本文首先利用FPGA設計數據壓縮器電路，再將壓縮后的數據送入網絡數據傳輸模塊的輸入端，通過FPGA設計邏輯電路控制硬件協議棧芯片W5300[1]實現高速數據傳輸，最終達到實時探傷的目的。該方法實現較容易，集成度高，穩定性好，可進行廣泛應用。

1 系統構成

該系統由數據壓縮器電路、網絡數據傳輸模塊、有限狀態機和W5300網絡通信電路組成。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 數據處理系統原理框圖

首先進行系統的初始化，對數據壓縮器的初始值和W5300的工作方式進行配置。再將經A/D變換后的探傷初始數據送入到數據壓縮器中壓縮，以預設數量的數據為一組，經過壓縮后將數據送入FIFO電路中，等待網絡數據傳輸模塊調用。當系統檢測到FIFO中有數據時，利用有限狀態機控制網絡數據傳輸模塊和W5300，通過以太網發送壓縮后的探傷數據至上位機，進而實現高速數據傳輸。

2 系統原理分析

2.1 數據壓縮器

超聲探頭一般工作在 2 MHz～5 MHz，經 A/D采樣后的數據量會非常大，而上位機接口繪制曲線的刷新次數在 25次/s以上即可清晰顯示波形圖像[2]，因此需對采樣的數據進行壓縮，從而加快數據處理的速度，減少資源的占用。

數據壓縮器的原理框圖如圖2所示。初始時，對較大數寄存器和較小數寄存器賦初值,分別為00H和FFH。將當前采樣來的數據分別放入較大數比較器和較小數比較器，并與寄存器中的數據進行比較，若該數據大于較大數或小于較小數，則將該數存入對應的寄存器中并替換原來的數據，否則寄存器中數據不變。與此同時，計數器對數據量進行計數，若計數值滿足預先設定的數據量，則將計數器中的值送入到對應的FIFO中等待下一步處理。

圖2 數據壓縮器的原理框圖

2.2 網絡數據傳輸模塊

該模塊由FIFO數據讀取電路、網絡配置及時序電路、W5300及有限狀態機構成,負責壓縮后數據的讀取和控制W5300以直接地址模式[3]向以太網發送數據。圖3為以太網控制器的原理框圖。

圖3 網絡數據傳輸模塊的原理框圖

FIFO數據讀取電路首先檢測FIFO當前狀態，若其中有數據，則進行讀取，并將該數據送入FPGA內部配置的寄存器中等待發送。

網絡配置及時序電路負責對W5300進行初始化設置和讀、寫時序的設計。該芯片內部集成10/100 Mb/s以太網控制器、MAC和TCP/IP協議棧，支持8個獨立端口同時連接，通信速率最高可達80 Mb/s[4]。本系統中，需拉高BIT16EN引腳設置W5300工作在16位數據總線模 式 ，將 TEST_MODE[3：0]和 OP_MODE[2：0]接 地 ，使 用內部PHY，并配置為全功能自動握手方式[5]。為提高數據傳輸的速度，配置相應寄存器使W5300以DMA方式工作在UDP模式下。讀、寫部分通過Verilog語言編寫相應代碼，搭建純硬件數據處理電路，等待狀態機調用。

有限狀態機負責對芯片的復位、初始化和數據的讀寫進行控制，采用兩段式構成。由于W5300需單獨復位后方能正常工作[6]，系統上電后由FPGA自動發送復位脈沖至W5300。復位完畢后進行初始化，初始化完畢后判斷當前FIFO狀態，待FIFO中存在數據時執行讀操作和寫操作，再將數據發送到上位機，完成網絡數據傳輸的過程。之后返回初始化后的狀態，等待下一個數據。有限狀態機的狀態轉移圖如圖4所示。

圖4 有限狀態機的狀態轉移圖

3 實驗結果與分析

通過多次試驗得出，該系統能夠快速、穩定地完成數據壓縮和網絡通信功能。實驗中，數據壓縮器以每256個數據為一組，從中選取最大值和最小值送入FIFO，使用Verilog語言在FPGA上很好地實現了該功能，經多次測試無亞穩態和競爭冒險現象出現，能夠可靠地進行數據壓縮，保證結果的準確性。

在連續大量發送數據的過程中，系統的網絡通信速率能夠穩定在75 Mb/s左右，達到了預期的效果，能夠作為網絡傳輸模塊應用在超聲探傷和其他需要高速網絡數據傳輸的應用場合。圖5為網絡通信速率的測試結果。

圖5 網絡通信速率測試數據

利用FPGA和W5300搭建純硬件網絡通信電路，能夠將大量數據通過以太網進行高速傳輸，方便對生產過程進行遠程控制和實時監測。結合數據壓縮器，能夠在數據量較大時，依據實際需要選取一定數量的、具有代表性的數據進行發送，提高了數據傳輸的效率，并節約資源。該方案開發周期短，成本低廉，易于維護，有著較高的穩定性和可靠性，且配置較為靈活，實用價值較高，可用于數據量較大的高速超聲探傷領域中。

[1]宋飛,馮旭哲.基于硬件協議棧芯片的高速以太網接口設計[J].工業儀表與自動化裝置，2012(4)：57-59.

[2]傅元,王晶淼,錢驍.數字化超聲探傷儀數據壓縮器設計[J].沈陽工業大學學報，2003,8(25)：310-312.

[3]章文娟,王中宇,周維虎,等.基于 DSP的激光跟蹤儀數據通信及處理模塊設計[J].微型機與應用，2011,30(17)：54-56.

[4]白佳俊,孟祥勇,張德平,等.基于 W5300和 FPGA的實時數據采集系統設計[J].電子技術應用，2013,39(4)：19-21.

[5]喬立巖,梁宇,趙浩然,等.基于W5300的以太網接口設計[J].電子測量技術，2012，7(35)：129-132.

[6]WIZnet.W5300 datasheet[Z].2010.