摘 要：随着超声探伤技术的发展，探伤数据处理的高速化和网络化已成为一种趋势。介绍了一种超声探伤回波信号处理的方法，采用Altera公司的Cyclone IV系列FPGA与以太网硬件协议栈芯片W5300，并结合高速数据压缩器，设计了一种基于以太网的多通道高速数据处理电路。给出了数据压缩器的设计原理及网络数据传输模块的设计方法，阐明了系统各模块的工作方式，并给出测试结果，实现了一种高速、高稳定性的数据处理电路。
关键词：超声探伤；数据压缩；FPGA；W5300；以太网
钢板表面伤的检测是超声波探伤领域的一个重要应用，随着探伤技术的发展，对于数据的实时性要求越来越高，且由于以太网数据传输具有成本低、传输距离远的特点，因此网络化数据传输也是一个重要的研究方向。
对钢板表面进行探伤时，钢板上方的一排超声探头分别向钢板发射超声波并接收回波，该回波信号经A/D转换后送入到数据处理模块进行处理。由于数据量非常大，需对其进行数据压缩，压缩后的数据再送入网口进行传输。本文首先利用FPGA设计数据压缩器电路，再将压缩后的数据送入网络数据传输模块的输入端，通过FPGA设计逻辑电路控制硬件协议栈芯片W5300[1]实现高速数据传输，最终达到实时探伤的目的。该方法实现较容易，集成度高，稳定性好，可进行广泛应用。
1 系统构成
该系统由数据压缩器电路、网络数据传输模块、有限状态机和W5300网络通信电路组成。系统原理框图如图1所示。
首先进行系统的初始化，对数据压缩器的初始值和W5300的工作方式进行配置。再将经A/D变换后的探伤初始数据送入到数据压缩器中压缩，以预设数量的数据为一组，经过压缩后将数据送入FIFO电路中，等待网络数据传输模块调用。当系统检测到FIFO中有数据时，利用有限状态机控制网络数据传输模块和W5300，通过以太网发送压缩后的探伤数据至上位机，进而实现高速数据传输。
2 系统原理分析
2.1 数据压缩器
超声探头一般工作在2 MHz~5 MHz，经A/D采样后的数据量会非常大，而上位机接口绘制曲线的刷新次数在25次/s以上即可清晰显示波形图像[2]，因此需对采样的数据进行压缩，从而加快数据处理的速度，减少资源的占用。
数据压缩器的原理框图如图2所示。初始时，对较大数寄存器和较小数寄存器赋初值,分别为00H和FFH。将当前采样来的数据分别放入较大数比较器和较小数比较器，并与寄存器中的数据进行比较，若该数据大于较大数或小于较小数，则将该数存入对应的寄存器中并替换原来的数据，否则寄存器中数据不变。与此同时，计数器对数据量进行计数，若计数值满足预先设定的数据量，则将计数器中的值送入到对应的FIFO中等待下一步处理。
FIFO数据读取电路首先检测FIFO当前状态，若其中有数据，则进行读取，并将该数据送入FPGA内部配置的寄存器中等待发送。
网络配置及时序电路负责对W5300进行初始化设置和读、写时序的设计。该芯片内部集成10/100 Mb/s以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈，支持8个独立端口同时连接，通信速率最高可达80 Mb/s[4]。本系统中，需拉高BIT16EN引脚设置W5300工作在16位数据总线模式，将TEST_MODE[3:0]和OP_MODE[2:0]接地，使用内部PHY，并配置为全功能自动握手方式[5]。为提高数据传输的速度，配置相应寄存器使W5300以DMA方式工作在UDP模式下。读、写部分通过Verilog语言编写相应代码，搭建纯硬件数据处理电路，等待状态机调用。
有限状态机负责对芯片的复位、初始化和数据的读写进行控制，采用两段式构成。由于W5300需单独复位后方能正常工作[6]，系统上电后由FPGA自动发送复位脉冲至W5300。复位完毕后进行初始化，初始化完毕后判断当前FIFO状态，待FIFO中存在数据时执行读操作和写操作，再将数据发送到上位机，完成网络数据传输的过程。之后返回初始化后的状态，等待下一个数据。有限状态机的状态转移图如图4所示。
利用FPGA和W5300搭建纯硬件网络通信电路，能够将大量数据通过以太网进行高速传输，方便对生产过程进行远程控制和实时监测。结合数据压缩器，能够在数据量较大时，依据实际需要选取一定数量的、具有代表性的数据进行发送，提高了数据传输的效率，并节约资源。该方案开发周期短，成本低廉，易于维护，有着较高的稳定性和可靠性，且配置较为灵活，实用价值较高，可用于数据量较大的高速超声探伤领域中。
参考文献
[1] 宋飞,冯旭哲.基于硬件协议栈芯片的高速以太网接口设计[J].工业仪表与自动化装置，2012(4)：57-59.
[2] 傅元, 王晶淼, 钱骁.数字化超声探伤仪数据压缩器设计[J].沈阳工业大学学报，2003,8(25)：310-312.
[3] 章文娟,王中宇,周维虎,等.基于DSP的激光跟踪仪数据通信及处理模块设计[J].微型机与应用，2011,30(17)：54-56.
[4] 白佳俊,孟祥勇,张德平,等.基于W5300和FPGA的实时数据采集系统设计[J].电子技术应用，2013,39(4):19-21.
[5] 乔立岩, 梁宇, 赵浩然,等.基于W5300的以太网接口设计[J].电子测量技术，2012，7(35)：129-132.
[6] WIZnet. W5300 datasheet[Z].2010.