焊縫缺陷自動超聲檢測系統是一種重要的無損探傷設備，可用于檢測平板、管道、容器等的縱、橫焊縫以及接管角焊縫缺陷。與手工檢測方法相比，該系統具有運行平穩、漏檢率低、顯示直觀等優點。
在焊縫缺陷自動超聲檢測系統中，缺陷回波信號通常為寬度約１０ｎｓ～１００ｎｓ、幅值在幾十μＶ到幾十ｍＶ之間的窄脈沖。為滿足缺陷回波信號的檢測要求，研制了一種基于ＰＣＩ總線的高速數據采集卡，它是面向超聲檢測應用而設計的：該卡采用轉換速率為６０ＭＨｚ的八位高速Ａ／Ｄ以滿足數據采集的要求；為緩存Ａ／Ｄ芯片輸出的高速數據并充分利用ＰＣＩ總線帶寬，加入３２ＫＢ的高速ＦＩＦＯ緩存組；同時，為滿足多通道探傷的要求，設計了通道選擇電路以實現通道之間的切換；此外，為調理缺陷回波信號，卡上還配有高增益高帶寬放大電路。

１ 高速數據采集卡的工作原理

焊縫缺陷自動超聲檢測系統的信號采集框圖如圖１所示。系統的工作原理是：首先由高壓脈沖發生電路發射高壓脈沖；高壓脈沖經換能器形成超聲波信號，遇到缺陷或雜質時產生反射波，經換能器轉換為電壓信號，該信號經放大調理、Ａ／Ｄ轉換后，形成數字量，寫入高速ＦＩＦＯ存儲器中。最后，由ＰＣＩ接口芯片將ＦＩＦＯ中的數據適時地寫入內存。

２ 數據采集電路的硬件設計

２．１ 高增益高帶寬放大電路

采用帶觸發的直流逆變電路產生高壓脈沖，采用多路模擬通道選擇電路實現通道切換以滿足多通道探傷要求。模擬信號經五級放大、濾波后，作為Ａ／Ｄ轉換電路的輸入。放大電路采用最高增益為８０ｄＢ、帶寬為１５ＭＨｚ且分辨率為１ｄＢ的放大器，并且采用數字電位器實現放大增益的動態調整。

２．２ Ａ／Ｄ轉換電路

Ａ／Ｄ轉換電路采用美國ＢＢ公司的ＡＤＳ８３０ADS830。該芯片的信噪比高、功耗低、非線性畸變小，廣泛應用于圖像處理、數字通信和視頻測試系統中。ＡＤＳ８３０的精度為八位，最高采樣頻率為６０ＭＨｚ，可滿足焊縫缺陷自動超聲檢測系統對數據采集精度和采樣頻率的要求。它有共模和差模兩種信號輸入方式，且輸出的數字量可直接與５Ｖ或３．３Ｖ芯片接口。

２．３ 高速ＦＩＦＯ存儲器

高速緩存是保證高速數據不丟失的關鍵，確保了數據的真實性。同時，高速ＦＩＦＯ緩存使Ａ／Ｄ芯片不必工作在ＰＣＩ同步時鐘下，提高了Ａ／Ｄ芯片的利用率。ＩＤＴ公司的存儲器性能優良，且同系列存儲器一般可以做到管腳級兼容，容易實現硬件設計的模塊化。為方便讀寫數據，選擇先進先出式（ＦＩＦＯ）的緩沖存儲器ＩＤＴ７２０５Ｌ１５IDT7205L15。其訪問時間為１５ｎｓ，每片容量為８Ｋ×９位。支持異步讀寫，并提供諸如滿、半滿、空等用于位擴展和深度擴展的信號。高速數據采集卡為實現８位Ａ／Ｄ和３２位ＰＣＩ總線的寬度匹配，采用了位擴展技術。為加深ＦＩＦＯ的緩沖深度，將外加ＦＩＦＯ緩存與ＰＣＩ接口芯片內部的ＦＩＦＯ相級連。 ２．４ 基于ＣＰＬＤ的控制邏輯

基于ＣＰＬＤ的控制邏輯是高速數據采集卡的核心，它為ＰＣＩ接口芯片提供滿足時序要求的讀寫信號，同時選擇模擬信號的輸入通道、控制高壓脈沖發生邏輯并設定放大電路的增益。此外，ＣＰＬＤ還能利用高速ＦＩＦＯ緩存的空、滿標志位，配合ＰＣＩ接口芯片實現ＤＭＡ寫操作，完成高速數據傳輸。Ｘｉｌｉｎｘ 公司的ＸＣ９５７２ＸＬ－ＶＱ６４XC9572XL-VQ64芯片的腳到腳延遲最大為１０ｎｓ，可滿足ＰＣＩ總線接口時序的要求。單片ＸＣ９５７２ＸＬ－ＶＱ６４能滿足焊縫缺陷自動超聲檢測系統邏輯控制的要求，且具有體積小、可靠性高、調試方便等突出優點。

圖２是基于有限狀態機ＦＳＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｓｔａｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅ）方法設計的控制邏輯狀態轉換圖。其中，ＲＳＴ和ＩＲＱ是由ＰＣＩ接口芯片Ｓ５９３３輸出的可由程序任意控制的兩個信號，它們的高低狀態同高速ＦＩＦＯ緩存的空、滿信號一起決定了控制邏輯的六個可能的狀態，圖中以橢圓表示。計算機上電時，控制邏輯處于ＲＳＴ＝ＩＲＱ＝１的狀態。值得一提的是，ＲＳＴ和ＩＲＱ信號都有適當的上拉電阻，所以不會出現高阻浮空的狀態，使控制邏輯能夠穩定地工作。實線是控制邏輯采用的狀態轉移路線，而虛線是可能的但不采用的狀態轉移路線。在各狀態之間進行切換是很容易的，只需通過程序使ＲＳＴ或ＩＲＱ信號出現高或低跳變。狀態轉移時伴隨著的電路動作見轉換線旁的注釋。