多路信号采集系统设计
本课题是围绕国家自然科技基金项目：预应力波纹管孔道压浆质量超声检测
方法研究(项目批注号：11274091)中所涉及的多路信号采集系统所展开的研究。
近年来，我国频发的桥梁坍塌事故，造成了大量的人员伤亡和财产损失。为
此，一项急需进行的工作就是对桥梁进行安全评估。由于桥梁 T 梁、厢梁中预应
力孔道波纹管压浆的质量（密实度，缺陷）是事关桥梁质量的重要因素，所以项
目把桥梁中预应力孔道波纹管压浆质量检测当做要进行重点工作之一。超声检测
作为一种绿色、无损、高效的方法，被应用到此项目中。项目利用一个超声探头
将超声波打入被测桥梁中，让超声波在被测桥梁的波纹管中传输，同时使用多个
接收探头从桥梁的不同方位进行信号的接收，然后使用多路信号采集系统对接收
到的超声信号进行采集，并将数据传输到 PC 机中，最后通过分析 PC 机中的超声
波数据，分析判断预应力孔道波纹管压浆状况。本文即为项目中涉及的多路信号
采集系统，是项目的重要组成部分。 HM000073
论文设计了一个具有程控放大功能和 USB 通信功能的多路信号采集系统。文
中结合实验提出了三种程控放大方案，并通过分析对比各方案的优缺点，选出最
适合系统的方案。文中阐述了 USB 2.0 通信协议的特点，并结合实际调试的经验，
提出了使用 CY7C68013A 芯片完成 USB 2.0 通信设计的一些经验。文中设计了以
CPLD、RAM 和 AD 转换器为主要器件的采集、存储电路，完成多路信号同步、快
速的采集。此外，文中还进行了超声信号的采集实验和多路信号的采集实验，以
此验证系统的性能。
论文由十章组成，第一章为系统的设计背景和意义，第二章为系统的总体方
案设计和功能模块的划分，第三章到第八章为各功能模块的实现，第九章为实验
的部分，第十章为对此次毕业设计的总结和对系统未来发展的展望。
： 关键词： 信号采集；USB ；AD 转换器；超声波；程控放大
1.1.1 课题的来源与背景
本课题是围绕国家自然科技基金项目：预应力波纹管孔道压浆质量超声检测
方法研究(项目批注号：11274091)中所涉及的多路信号采集部分所展开的研究。
近年来，我国频发的桥梁坍塌事故，造成了大量的人员伤亡和财产损失。引
发桥梁坍塌的原因可分为以下 6 大类：设计失误、构造尺寸不当、施工失误、
材料质量低下、养护不足和外部诱因 [1-2] 。为此，根据可能引发桥梁坍塌的因素
对桥梁进行安全评估是一项急需进行的工作，其中关于桥梁 T 梁、厢梁中预应
力孔道波纹管压浆质量（密实度，缺陷）的检测是要进行重点工作之一。经查阅
资料得知，直接影响预应力构件的承载能力、耐久性和抗裂性能的重要因素是孔
道压浆质量。如果桥梁的孔道压浆存在严重的质量问题，很可能会引起事故，在
实际的桥梁建筑中已经出现过类似的事故。如图 1.1 所示，沪宁高速拓宽工程中，
无锡段原来建造的几座悬浇梁梁体下垂，就是因为孔道压浆不合格造成的，为此
拆除重建了整个桥梁。
调查发现，目前孔道压浆施工经常出现以下 3 个方面的问题：(1)水泥浆体
的质量不能满足设计要求；(2)由于空气泡等原因导致孔道中水泥浆填充不密实；
(3)硬化后的水泥浆体收缩过大与孔道出现分离。目前，主要是通过工作人员观
察注浆过程中浆液的流出情况，判别该孔是否填充密实，来实现对预应力孔道压
浆质量的控制，具有很强的主观随意性，而且浆液在孔内的流动情况受压浆压力、
施工操作方式等因素的影响，工作人员难以判别浆液在孔内的饱满和固结情况。
为此，实验室师生组建团队，研究超声无损探伤检测预应力波纹管孔道压浆
质量的方法。项目利用一个超声探头将超声波打入被测桥梁中，让超声波在被测
桥梁的波纹管中传输，同时使用多个接收探头从桥梁的不同方位进行信号的接
收，然后使用多路信号采集系统对接收到的超声信号进行采集，并将数据传输到
PC 机中，最后通过分析 PC 机中的超声波数据，分析判断预应力孔道波纹管压
浆状况。本文即为项目中涉及的多路信号采集系统，是项目的重要组成部分。
2 1.1.2 课题的研究意义 查看完整请+Q:351916072获取
信号采集系统的研究有很长的历史了，然而现有的多路信号采集系统多使用
多路选择器把各路模拟信号轮流通过 AD 转换器进行采样、量化，而不能实现多
路信号同步采样。在超声无损探伤检测预应力波纹管孔道压浆质量的研究中，为
了保证各采集点数据的一致性，要求信号采集系统对多路信号进行同步采样，并
且系统能够对被采的模拟信号进行程控放大，以适应不同功率换能器的探测。
为了克服已有技术的缺陷，课题设计一种基于 USB 传输的多路信号采集系
统，实现多路信号同步采样的功能，同时具有前置跟随、信号程控放大的和采样
深度可调的特点。
本设计具有如下优点： 查看完整请+Q:351916072获取
1、采用了 CPLD、存储器、硬件地址配置的框架结构，实现了多路信号同
步采样的功能。
2、将各个采集模块中 CPLD 的端口直接相连作为数据总线，提高了数据传
输的可靠性，简化了硬件设计。
3、由于地址配置模块的地址可以在硬件上调节，从而可以根据实际需要，
摘 摘 要I
ABSTRACT.II
第 第 1 章 章 绪论. 1
1.1 课题简介.1
1.1.1 课题的来源与背景.1
1.1.2 课题的研究意义.2
1.1.3 课题应用的相关知识和开发环境简介.3
1.2 课题的主要工作3
第 第 2 章 章 系统整体方案设计.4
2.1 系统总体功能设计4
2.2 功能模块划分5
2.2.1 程控放大模块设计5
2.2.2 ADC 转换模块的设计5
2.2.3 存储模块的设计5
2.2.4 CPLD 控制模块的设计6
2.2.5 USB 传输模块的设计6
2.2.6 软件系统的设计6
2.3 关键技术和难点7
第 第 3 章 章 程控放大模块的设计.8
3.1 压控放大器设计方案.8
3.2 数字电位计和运放的设计方案.9
3.3 多路选择器、电阻网络和运放的设计方案.11
3.4 方案对比与选择.13
第 第 4 章 章 AD 转换模块的设计 14
4.1AD 转换器的主要性能参数与选型 14
4.1.1 AD 转换器简介及主要性能指标14
4.1.2 系统中 AD 转换器的选型14
4.1.3 AD 转换电路中放大器的选择15
4.2 AD 转换器电路设计16
第 第 5 章 章 USB 传输模块的设计17
5.1 USB 基础知识17
5.1.1 USB 概述17
5.1.2 USB 的特点17
5.1.3 USB 的系统描述18
5.2 CY7C68013A 芯片简介.20
5.3 硬件电路设计.21
5.4 USB 程序设计22
5.4.1 USB 程序设计概述22
5.4.2 固件程序的设计22
第 第 6 章 章 存储模块的设计.24
6.1 存储器的简介与选型24
6.1.1 存储器类型的选择24
6.1.2 存储器型号的选取25
6.2 存储模块设计26
第 第 7 章 章 CPLD 控制模块的设计.28
7.1 CPLD 基础与选型28
7.1.1 CPLD 的简介28
7.1.2 芯片选型29
7.2 CPLD 设计30
第 第 8 章 章 软件系统介绍.32
8.1 系统软件部分说明32
8.2 自定义通信协议说明32
第 第 9 章 章 采集实验与结果分析.34
9.1 超声信号的采集实验34
9.2 多路信号的采集实验36
第 第 10 章 章 总结与展望.38
参考文献39
致谢40
附录41
一、采集模块的原理图.41
二、采集模块的 PCB 42
三、USB 传输模块的原理图43
四、USB 传输模块的 PCB43
五、实验照片.44 查看完整请+Q:351916072获取
六、攻读学士学位期间主要工作与成果.45
方法研究(项目批注号：11274091)中所涉及的多路信号采集系统所展开的研究。
近年来，我国频发的桥梁坍塌事故，造成了大量的人员伤亡和财产损失。为
此，一项急需进行的工作就是对桥梁进行安全评估。由于桥梁 T 梁、厢梁中预应
力孔道波纹管压浆的质量（密实度，缺陷）是事关桥梁质量的重要因素，所以项
目把桥梁中预应力孔道波纹管压浆质量检测当做要进行重点工作之一。超声检测
作为一种绿色、无损、高效的方法，被应用到此项目中。项目利用一个超声探头
将超声波打入被测桥梁中，让超声波在被测桥梁的波纹管中传输，同时使用多个
接收探头从桥梁的不同方位进行信号的接收，然后使用多路信号采集系统对接收
到的超声信号进行采集，并将数据传输到 PC 机中，最后通过分析 PC 机中的超声
波数据，分析判断预应力孔道波纹管压浆状况。本文即为项目中涉及的多路信号
采集系统，是项目的重要组成部分。 HM000073
论文设计了一个具有程控放大功能和 USB 通信功能的多路信号采集系统。文
中结合实验提出了三种程控放大方案，并通过分析对比各方案的优缺点，选出最
适合系统的方案。文中阐述了 USB 2.0 通信协议的特点，并结合实际调试的经验，
提出了使用 CY7C68013A 芯片完成 USB 2.0 通信设计的一些经验。文中设计了以
CPLD、RAM 和 AD 转换器为主要器件的采集、存储电路，完成多路信号同步、快
速的采集。此外，文中还进行了超声信号的采集实验和多路信号的采集实验，以
此验证系统的性能。
论文由十章组成，第一章为系统的设计背景和意义，第二章为系统的总体方
案设计和功能模块的划分，第三章到第八章为各功能模块的实现，第九章为实验
的部分，第十章为对此次毕业设计的总结和对系统未来发展的展望。
： 关键词： 信号采集；USB ；AD 转换器；超声波；程控放大
1.1.1 课题的来源与背景
本课题是围绕国家自然科技基金项目：预应力波纹管孔道压浆质量超声检测
方法研究(项目批注号：11274091)中所涉及的多路信号采集部分所展开的研究。
近年来，我国频发的桥梁坍塌事故，造成了大量的人员伤亡和财产损失。引
发桥梁坍塌的原因可分为以下 6 大类：设计失误、构造尺寸不当、施工失误、
材料质量低下、养护不足和外部诱因 [1-2] 。为此，根据可能引发桥梁坍塌的因素
对桥梁进行安全评估是一项急需进行的工作，其中关于桥梁 T 梁、厢梁中预应
力孔道波纹管压浆质量（密实度，缺陷）的检测是要进行重点工作之一。经查阅
资料得知，直接影响预应力构件的承载能力、耐久性和抗裂性能的重要因素是孔
道压浆质量。如果桥梁的孔道压浆存在严重的质量问题，很可能会引起事故，在
实际的桥梁建筑中已经出现过类似的事故。如图 1.1 所示，沪宁高速拓宽工程中，
无锡段原来建造的几座悬浇梁梁体下垂，就是因为孔道压浆不合格造成的，为此
拆除重建了整个桥梁。
调查发现，目前孔道压浆施工经常出现以下 3 个方面的问题：(1)水泥浆体
的质量不能满足设计要求；(2)由于空气泡等原因导致孔道中水泥浆填充不密实；
(3)硬化后的水泥浆体收缩过大与孔道出现分离。目前，主要是通过工作人员观
察注浆过程中浆液的流出情况，判别该孔是否填充密实，来实现对预应力孔道压
浆质量的控制，具有很强的主观随意性，而且浆液在孔内的流动情况受压浆压力、
施工操作方式等因素的影响，工作人员难以判别浆液在孔内的饱满和固结情况。
为此，实验室师生组建团队，研究超声无损探伤检测预应力波纹管孔道压浆
质量的方法。项目利用一个超声探头将超声波打入被测桥梁中，让超声波在被测
桥梁的波纹管中传输，同时使用多个接收探头从桥梁的不同方位进行信号的接
收，然后使用多路信号采集系统对接收到的超声信号进行采集，并将数据传输到
PC 机中，最后通过分析 PC 机中的超声波数据，分析判断预应力孔道波纹管压
浆状况。本文即为项目中涉及的多路信号采集系统，是项目的重要组成部分。
2 1.1.2 课题的研究意义 查看完整请+Q:351916072获取
信号采集系统的研究有很长的历史了，然而现有的多路信号采集系统多使用
多路选择器把各路模拟信号轮流通过 AD 转换器进行采样、量化，而不能实现多
路信号同步采样。在超声无损探伤检测预应力波纹管孔道压浆质量的研究中，为
了保证各采集点数据的一致性，要求信号采集系统对多路信号进行同步采样，并
且系统能够对被采的模拟信号进行程控放大，以适应不同功率换能器的探测。
为了克服已有技术的缺陷，课题设计一种基于 USB 传输的多路信号采集系
统，实现多路信号同步采样的功能，同时具有前置跟随、信号程控放大的和采样
深度可调的特点。
本设计具有如下优点： 查看完整请+Q:351916072获取
1、采用了 CPLD、存储器、硬件地址配置的框架结构，实现了多路信号同
步采样的功能。
2、将各个采集模块中 CPLD 的端口直接相连作为数据总线，提高了数据传
输的可靠性，简化了硬件设计。
3、由于地址配置模块的地址可以在硬件上调节，从而可以根据实际需要，
摘 摘 要I
ABSTRACT.II
第 第 1 章 章 绪论. 1
1.1 课题简介.1
1.1.1 课题的来源与背景.1
1.1.2 课题的研究意义.2
1.1.3 课题应用的相关知识和开发环境简介.3
1.2 课题的主要工作3
第 第 2 章 章 系统整体方案设计.4
2.1 系统总体功能设计4
2.2 功能模块划分5
2.2.1 程控放大模块设计5
2.2.2 ADC 转换模块的设计5
2.2.3 存储模块的设计5
2.2.4 CPLD 控制模块的设计6
2.2.5 USB 传输模块的设计6
2.2.6 软件系统的设计6
2.3 关键技术和难点7
第 第 3 章 章 程控放大模块的设计.8
3.1 压控放大器设计方案.8
3.2 数字电位计和运放的设计方案.9
3.3 多路选择器、电阻网络和运放的设计方案.11
3.4 方案对比与选择.13
第 第 4 章 章 AD 转换模块的设计 14
4.1AD 转换器的主要性能参数与选型 14
4.1.1 AD 转换器简介及主要性能指标14
4.1.2 系统中 AD 转换器的选型14
4.1.3 AD 转换电路中放大器的选择15
4.2 AD 转换器电路设计16
第 第 5 章 章 USB 传输模块的设计17
5.1 USB 基础知识17
5.1.1 USB 概述17
5.1.2 USB 的特点17
5.1.3 USB 的系统描述18
5.2 CY7C68013A 芯片简介.20
5.3 硬件电路设计.21
5.4 USB 程序设计22
5.4.1 USB 程序设计概述22
5.4.2 固件程序的设计22
第 第 6 章 章 存储模块的设计.24
6.1 存储器的简介与选型24
6.1.1 存储器类型的选择24
6.1.2 存储器型号的选取25
6.2 存储模块设计26
第 第 7 章 章 CPLD 控制模块的设计.28
7.1 CPLD 基础与选型28
7.1.1 CPLD 的简介28
7.1.2 芯片选型29
7.2 CPLD 设计30
第 第 8 章 章 软件系统介绍.32
8.1 系统软件部分说明32
8.2 自定义通信协议说明32
第 第 9 章 章 采集实验与结果分析.34
9.1 超声信号的采集实验34
9.2 多路信号的采集实验36
第 第 10 章 章 总结与展望.38
参考文献39
致谢40
附录41
一、采集模块的原理图.41
二、采集模块的 PCB 42
三、USB 传输模块的原理图43
四、USB 传输模块的 PCB43
五、实验照片.44 查看完整请+Q:351916072获取
六、攻读学士学位期间主要工作与成果.45
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