多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法与流程

1.本发明涉及工业超声波探伤和测量技术领域，特别是涉及一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法。


背景技术：

2.多通道超声波探伤仪广泛应用于工业自动化超声波探伤中。常规的多通道超声波探伤仪一般需要使用多条信号线来实现同步信号、控制信号和超声信号的传输。其中，控制信号线主要用来控制多通道切换以及设置前置放大参数。控制信号线的数量与通道数量和前置放大级数直接相关。现有技术中，有些探伤仪采用单线传输信号技术来传输同步信号、控制信号和超声信号，但是在很多情况下，受到通道并行工作的影响，单线传输的数据吞吐量就远远无法达到要求。例如，在中厚钢板探伤系统中，采样重复频率最高要求8khz，数百个通道需要同时探伤，同时还需要实时控制，单线传输无法在短时间内完成大量的数据传输工作。因此，设计一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法是十分有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法，实现了高带宽的一对多控制及多通道的高精度同步，数据吞吐量高，能够在短时间完成大量的数据传输工作。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置，包括：后端电路、传输线、多个前端电路及探头，所述探头连接所述前端电路，所述前端电路通过传输线连接后端电路；
6.所述传输线包括控制总线及数据采集线；
7.所述前端电路包括多路复用电路、第一phy电路、通道控制电路及多组发射电路和接收放大电路，所述探头连接所述发射电路及接收放大电路，所述发射电路及接收放大电路连接所述通道控制电路，所述接收放大电路及通道控制电路连接所述多路复用电路，所述通道控制电路连接第一phy电路，所述第一phy电路通过控制总线连接所述后端电路，所述多路复用电路通过所述数据采集线连接所述后端电路；
8.所述后端电路包括数模转换电路、控制单元、第二phy电路、探伤仪cpu以及总线接口电路，所述多路复用电路通过所述数据采集线连接所述数模转换电路，所述第一phy电路通过控制总线连接所述第二phy电路，所述第二phy电路及数模转换电路连接所述控制单元，所述控制单元连接所述探伤仪cpu以及总线接口电路。
9.可选的，所述通道控制电路为fpga或微控制器，所述控制单元为fpga或微控制器，所述数据采集线为射频模拟信号传输线。
10.本发明还提供了一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输控制方法，应用于上述的多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置，其特征在于，包括如下步骤：
11.步骤1：控制单元将同步信号和控制信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，并通过cdr技术得到高精度时钟；
12.步骤2：通道控制电路根据解码信息流同时控制多路发射电路、接收放大电路及多路复用电路，多路发射电路并行发射激励信号到探头上，多个探头并行发射超声波信号，多路接收放大电路并行接收超声波回波，经多路复用电路的协助，将放大后的超声波回波信号通过数据采集线输入数模转换电路；
13.步骤3：数模转换电路将超声波回波信号转换为数字信号，并将其发送至控制单元，控制单元读取数据并对其进行处理，处理完毕后发送至探伤仪cpu及总线接口电路中。
14.可选的，步骤1中，通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，具体为：
15.控制单元将编码信息流传输至后端电路的数据链路层中，后端电路的数据链路层将编码信息流传输至后端电路的物理层中，后端电路的物理层经由控制总线将编码信息流传输至前端电路的物理层中，前端电路的物理层将其发送至前端电路的数据链路层，前端电路的数据链路层将编码信息流发送至通道控制电路中。
16.可选的，后端电路的物理层将编码信息流经由控制总线传输至所有前端电路的物理层中，前端电路的物理层将其发送至前端电路的数据链路层，前端电路的数据链路层将编码信息流发送至通道控制电路中。
17.可选的，后端电路的物理层将编码信息流经由控制总线将编码信息流传输至一个或多个前端电路的物理层中，前端电路的物理层将其发送至前端电路的数据链路层，前端电路的数据链路层将编码信息流发送至通道控制电路中，发送完毕后，前端电路通过数据复制的形式将编码信息流转发至其他未接收编码信息流的前端电路中。
18.可选的，步骤1中，通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，具体为：
19.控制单元直接以mac协议与通道控制电路进行电路连接，控制单元通过控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路以数据复制的形式将编码信息流转发至其他通道控制电路。
20.可选的，步骤1中，控制单元将控制信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，并通过cdr技术得到高精度时钟，具体为：
21.控制单元检测到有控制数据需要发送，根据数据传输的优先级依次进行传输控制，将待传输数据编码为mac帧，其中mac帧的数据域分为三部分，分别为数据类型域、数据长度域及待传输数据域，编码完成后，将mac帧通过以太网传输协议利用控制总线传输至通道控制电路，通道控制电路解码mac帧，根据数据类型域进行数据分发。
22.可选的，步骤1中，控制单元将同步信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，并通过cdr技术得到高精度时钟，具体为：
23.控制单元获取授时系统的同步数据，并将其编码成mac帧，通过以太网传输协议利用控制总线将mac帧传输至通道控制电路，通道控制电路将mac帧进行解码，提出同步数据，
并利用第一phy电路及第二phy电路通过cdr技术得到高精度时钟，通道控制电路依照高精度时钟，根据同步数据得到自身的同步状态，并对其进行修正，使其与控制单元保持一致，控制单元循环执行同步流程，使通道控制电路不断修正自身的同步状态。
24.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法，能够实现高带宽的一对多控制及多通道的高精度同步，该装置包括后端电路、传输线、多个前端电路及探头，其中前端电路及后端电路为模块化设计，功能拓展能力强，其中，前端电路包括多路复用电路、通道控制电路及多组发射电路和接收放大电路，后端电路包括数模转换电路、控制单元、探伤仪cpu以及总线接口电路，其中控制单元与通道控制电路可搭载自定义的通信协议于数据链路层之上完成数据的交互，也可直接以mac协议进行电路连接完成数据的交互；该装置可形成更加复杂的拓扑结构，加强了多通道超声探伤系统的拓展能力和数据吞吐量，同时也为系统的分时复用功能提供坚实的保障；该控制方法包括控制单元将同步信号和控制信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，通道控制电路根据解码信息流同时控制多路发射电路、接收放大电路及多路复用电路发射电路，发射激励信号到探头上，探头发射超声波信号，接收放大电路接收超声波回波，经多路复用电路的协助，将放大后的超声波回波信号通过数据采集线输入数模转换电路，数模转换电路将超声波回波信号转换为数字信号，并将其发送至控制单元，控制单元读取数据并对其进行处理，处理完毕后发送至探伤仪cpu及总线接口电路中，该方法采用将同步信号数字化的形式进行传输，后端电路将同步信号传递到其他前端电路中，前端电路将数字化的同步信号解码，应用到自身的计时系统中进行设备同步，相较于传统的同步脉冲激励信号的方法，不但减少了同步信号线的需要，同时也极大提高了同步信号的抖动精度；该方法中，控制单元是主动工作状态，通道控制电路是被动工作状态，通道的控制信号只由控制总线传输，与传输模拟信号的数据采集线相互隔离互不干扰，特别适合于通道数量多、传播距离远，通道并行工作要求高的情况。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置结构示意图；
27.图2为本发明实施例多通道超声波探伤仪同步和数据传输方法流程示意图；
28.图3为以太网传输协议实现控制单元与通道控制电路的数据传输示意图；
29.图4为以mac协议实现控制单元与通道控制电路的数据传输示意图；
30.图5为本发明实施例多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置拓展结构示意图；
31.图6为mac帧的数据域结构示意图。
32.附图标记：1、探头；2、发射电路；3、接收放大电路；4、通道控制电路；5、多路复用电路；6、第一phy电路；7、射频模拟信号传输线；8、控制总线；9、数模转换电路；10、第二phy电
路；11、控制单元；12、探伤仪cpu以及总线接口电路；13、前端电路；14、后端电路；15、数据链路层；16、物理层；17、数据类型域；18、数据长度域；19、待传输数据域。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法，实现了高带宽的一对多控制及多通道的高精度同步，数据吞吐量高，能够在短时间完成大量的数据传输工作。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.如图1所示，本发明实施例提供的多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置，包括：后端电路12、传输线、多个前端电路11及探头1，所述探头1连接所述前端电路11，所述前端电路11通过传输线连接后端电路12；
37.所述前端电路13包括多路复用电路5、第一phy电路6、通道控制电路4及多组发射电路2和接收放大电路3，所述探头1连接所述发射电路2及接收放大电路3，所述发射电路2及接收放大电路3连接所述通道控制电路4，所述接收放大电路3及通道控制电路4连接所述多路复用电路5，所述通道控制电路4连接第一phy电路6，所述第一phy电路6通过控制总线8连接所述后端电路14，所述多路复用电路5通过所述数据采集线连接所述后端电路14；
38.所述后端电路14包括数模转换电路9、控制单元11、第二phy电路10、探伤仪cpu以及总线接口电路12，所述多路复用电路5通过所述数据采集线连接所述数模转换电路9，所述第一phy电路10通过控制总线8连接所述第二phy电路10，所述第二phy电路10及数模转换电路9连接所述控制单元11，所述控制单元11连接所述探伤仪cpu以及总线接口电路12。
39.所述探头1的数量与所述发射电路2及接收放大电路3的数量相对应，所述发射电路2及接收放大电路3的数量根据具体需求设置，所述前端电路13的数量根据需求设置。
40.所述通道控制电路4为fpga或微控制器，所述控制单元11为fpga或微控制器，所述数据采集线为射频模拟信号传输线7。
41.所述第一phy电路及第二phy电路输出控制信号，可使用cdr技术得到高精度时钟。
42.如图2所示，本发明还提供了一种多通道超声波探伤仪同步和数据传输控制方法，包括如下步骤：
43.步骤1：控制单元将同步信号和控制信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，并通过cdr技术得到高精度时钟；
44.步骤2：通道控制电路根据解码信息流同时控制多路发射电路、接收放大电路及多路复用电路，多路发射电路并行发射激励信号到探头上，探头上设置有压电晶片，在激励信号的作用下，多个探头并行发射超声波信号，多路接收放大电路并行接收超声波回波，经多路复用电路的协助，将放大后的超声波回波信号通过数据采集线输入数模转换电路；
45.步骤3：数模转换电路将超声波回波信号转换为数字信号，并将其发送至控制单元，控制单元读取数据并对其进行处理，处理完毕后发送至探伤仪cpu及总线接口电路中。
46.在实施例一中，步骤1中，通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路的一种方法为：
47.如图3所示，控制总线用成熟的以太网传输协议进行数据传输，搭载自定义的通信协议与数据链路层上完成数据的交互，控制单元将编码信息流传输至后端电路的数据链路层中，后端电路的数据链路层将编码信息流传输至后端电路的物理层中，后端电路的物理层经由控制总线将编码信息流传输至前端电路的物理层中，前端电路的物理层将其发送至前端电路的数据链路层，前端电路的数据链路层将编码信息流发送至通道控制电路中。
48.其中，多路前端电路获取编码信息流的方法有两种，一种是：后端电路的物理层将编码信息流经由控制总线传输至所有前端电路的物理层中，前端电路的物理层将其发送至前端电路的数据链路层，前端电路的数据链路层将编码信息流发送至通道控制电路中。
49.另一种是：后端电路的物理层将编码信息流经由控制总线将编码信息流传输至一个或多个前端电路的物理层中，前端电路的物理层将其发送至前端电路的数据链路层，前端电路的数据链路层将编码信息流发送至通道控制电路中，发送完毕后，前端电路通过数据复制的形式将编码信息流转发至其他未接收编码信息流的前端电路中。
50.在实施例二中，步骤1中，通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路的另一种方法为：
51.如图4所示，借助以太网分层传输的优势，数据传输不止基于1000base
‑
x的光纤传输及基于1000base
‑
t的双绞线传输，控制单元也可直接以mac协议与通道控制电路进行电路连接，控制单元通过控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，其中，控制单元可以将编码信息流传输给所有前端电路的通道控制电路，也可传输给一个或多个通道控制电路，通道控制电路以数据复制的形式将编码信息流转发至其他通道控制电路。
52.通过上述数据传输方案，多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置可形成更加复杂的拓扑结构，例如，如图5所示，本发明的一个实施例为，后端电路的控制单元连接三个前端电路的通道控制电路，其中一个前端电路的通道控制电路连接新的一个前端电路的通道控制电路，新的前端电路的通道控制电路连接另一个新的前端电路的通道控制电路，这种数据通信方式，极大的加强了多通道超声探伤系统的拓展能力和数据吞吐量，同时也为系统的分时复用功能提供了坚实的保障。
53.在数据传输控制中，步骤1中，控制单元将控制信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，并通过cdr技术得到高精度时钟，具体为：
54.控制单元检测到有控制数据需要发送，根据数据传输的优先级依次进行传输控制，将待传输数据编码为mac帧，如图6所示，其中mac帧的数据域分为三部分，分别为数据类型域17、数据长度域18及待传输数据域19，编码完成后，将mac帧通过以太网传输协议利用控制总线传输至通道控制电路，通道控制电路解码mac帧，根据数据类型域进行数据分发。
55.在同步控制中，步骤1中，控制单元将同步信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，并通过cdr技术得到高精度时钟，具体为：
56.控制单元获取授时系统的同步信号，并将同步信号进行数字化，得到同步数据，并将其编码成mac帧，通过以太网传输协议利用控制总线将mac帧传输至通道控制电路，通道控制电路将mac帧进行解码，提出同步数据，并利用第一phy电路及第二phy电路通过cdr技术得到高精度时钟，通道控制电路依照高精度时钟，根据同步数据得到自身的同步状态，并对其进行修正，使其与控制单元保持一致，控制单元循环执行同步流程，使通道控制电路不断修正自身的同步状态。
57.本发明的一个实施例为：在控制信号进行传输时，采用rgmii传输协议传输数据，控制单元检测到有控制信号需要发送，将控制信号通过数模转换电路转换为控制数据，根据数据传输的优先级依次进行传输控制，将待传输数据编码为mac帧，其中mac帧的数据域分为三部分，分别为数据类型域、数据长度域及待传输数据域，将mac帧通过rgmii传输协议进行数据传输，由于本实施例的后端电路未装物理层模块，通过直连的方式将数据传输至前端电路的通道控制电路中，通道控制电路对mac帧进行解码，根据解码后得到的数据类型域进行数据分发，完成数据传输工作。
58.在多通道控制中最重要的就是同步控制，本方法采用将同步信号数字化的形式进行传输，借助上述的数据通信方式，后端电路将同步信号传递到其他前端电路中，前端电路将数字化的同步信号解码，应用到自身的计时系统中进行设备同步，相较于传统的同步脉冲激励信号的方法，不但减少了同步信号线的需要，同时也极大提高了同步信号的抖动精度，具体为：
59.控制单元获取授时系统的同步信号，并将同步信号进行数字化，得到同步数据，并将其编码成mac帧，通过rgmii传输协议利用控制总线将mac帧传输至通道控制电路，通道控制电路将mac帧进行解码，提出同步数据，并利用第一phy电路及第二phy电路通过cdr技术得到高精度时钟，通道控制电路依照高精度时钟，根据同步数据得到自身的同步状态，并对其进行修正，使其与控制单元保持一致，控制单元循环执行同步流程，使通道控制电路不断修正自身的同步状态由于所有的通道基于相同的控制单元的同步数据，所以多通道之间的同步状态极好，根据实际测量通道控制电路的同步时间与控制单元之间的误差只有0.5ns。
60.经过上述对控制总线数据传输的使用，充分满足了多通道数据同时采集，实时控制及同步上传采样数据的需要，应用到多通道超声波探伤中，探伤流程如下：
61.控制单元将同步信号及控制信号进行数字化，并编码到控制总线上，传送至通道控制电路，通道控制电路将编码后的数据进行解码，根据解码后的数据并行控制多路发射电路、接收放大电路及多路复用电路，其中，多个通道通过实时的通道控制电路控制，并行的控制发射电路发射激励信号到探头上，探头发射超声波信号，接收放大电路接收超声波回波，通过通道控制电路的实时控制进行放大工作，在多路复用电路的协助下，将放大后的超声波回波信号通过数据采集线输入到数模转换电路中，数据转换电路将超声波回波信号转换为数字信号后，将其输入值控制单元中，控制单元对数字信号进行处理，并将其发送至探伤仪cpu及总线接口电路中，其中控制单元是主动工作状态，通道控制电路是被动工作状态，通道的控制信号只由控制总线传输，与传输模拟信号的数据采集线相互隔离互不干扰，该方法特别适合于通道数量多、传播距离远、通道并行工作要求高的情况。
62.本发明提供的多通道超声波探伤仪同步和数据传输装置及控制方法，能够实现高带宽的一对多控制及多通道的高精度同步，该装置包括后端电路、传输线、多个前端电路及
探头，其中前端电路及后端电路为模块化设计，功能拓展能力强，其中，前端电路包括多路复用电路、通道控制电路及多组发射电路和接收放大电路，后端电路包括数模转换电路、控制单元、探伤仪cpu以及总线接口电路，其中控制单元与通道控制电路可搭载自定义的通信协议于数据链路层之上完成数据的交互，也可直接以mac协议进行电路连接完成数据的交互；该装置可形成更加复杂的拓扑结构，加强了多通道超声探伤系统的拓展能力和数据吞吐量，同时也为系统的分时复用功能提供坚实的保障；该控制方法包括控制单元将同步信号和控制信号进行编码，得到编码信息流，并通过以太网传输协议利用控制总线将编码信息流传输至通道控制电路，通道控制电路将编码信息流进行解码，得到解码信息流，通道控制电路根据解码信息流控制发射电路、接收放大电路及多路复用电路，发射电路发射激励信号到探头上，探头发射超声波信号，接收放大电路接收超声波回波，经多路复用电路的协助，将放大后的超声波回波信号通过数据采集线输入数模转换电路，数模转换电路将超声波回波信号转换为数字信号，并将其发送至控制单元，控制单元读取数据并对其进行处理，处理完毕后发送至探伤仪cpu及总线接口电路中，该方法采用将同步信号数字化的形式进行传输，后端电路将同步信号传递到其他前端电路中，前端电路将数字化的同步信号解码，应用到自身的计时系统中进行设备同步，相较于传统的同步脉冲激励信号的方法，不但减少了同步信号线的需要，同时也极大提高了同步信号的抖动精度；该方法中，控制单元是主动工作状态，通道控制电路是被动工作状态，通道的控制信号只由控制总线传输，与传输模拟信号的数据采集线相互隔离互不干扰，特别适合于通道数量多、传播距离远，通道并行工作要求高的情况。
63.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。