DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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"Neuartiges Kompakt-Phased-Array-Prüfsystem auf der Basis eines ,Embedded Systems' und Diskussion des flexiblen Anwendungsspektrums"

Kreier, Peter, Dr. sc. techn., Innotest-AG, kreier@innotest.ch
Rieder, Hans, Dipl. Ing., Fraunhofer-IZFP, hans.rieder@izfp.fhg.de
Kontakt: Dr. sc.techn., dipl. Phys. ETH Peter Kreier

Abstract

Im Rahmen eines speziellen, anwendungsspezifischen Prüfproblems, wurde gemeinsam mit dem IZFP ein neuartiges Phased-Array-System als ,Embedded System' entwickelt. Das miniaturisierte 16-Kanal-Phased-Array System basiert auf der grundlegenden Überlegung, dass die Aufspaltung in ein Frontend- und Backendmodul Vorteile in Bezug auf die applikationsspezifische Integration in die fertigungsintegrierte Prüfapplikation bringt. Entwicklungsziel des Ultraschall-prüfsystems, das auf modernster Technologie basiert, ist die Verwendung als Phased-Array- und Multikanalprüfsystem. Das Messsystem (Frontend) ist als eigenständige, intelligente Einheit konzipiert, die über eine schnelle Kommunikationsschnittstelle mittels PCI-Interface mit einem PC (Backend) zusammenarbeitet. Die physikalische Aufteilung in Frontend- und Backendsystem ermöglicht eine flexible Integration des Prüfsystems in verschiedene Applikationen. Durch den Einsatz moderner FPGA- und DSP-Technologie ist das System in der Lage, in Echtzeit zu arbeiten. Weitere intelligente Module sorgen für die Signalaufbereitung, die Datenkompression und den Transfer der Daten zu einem DSP basierten Multiprozessorsystem über einen elektrischen oder optischen LINK. Dadurch können Entfernungen bis zu 1000 Meter überbrückt werden. Das Gesamtsystem ist als Multiprozessorsystem ausgelegt. Die Konzeption folgt damit dem Trend, Hardware durch Software zu ersetzen. Damit kann das Prüfsystem in einem vorgegebenen Rahmen an verschiedenen Aufgabenstellungen leicht adaptiert werden. Der Vortrag stellt die verschiedenen, grundlegenden Aspekte der Entwicklung dar und diskutiert aus der Sicht des Anwenders erste Applikationen und Ergebnisse.

Stichwörter: Kompakt Phased-Array-System, Embedded System, DSP, Gate-Array, Echtzeit Signalverarbeitung

1. Einleitung

Im Zusammenhang mit einem staatlich geförderten Schweizer Projekt (BBT-KTI 4337.1) wurde in Kooperation der Innotest AG mit dem IZFP für eine spezielle Molchanwendung [1], [2], [3] ein neuartiges, digitales Phased-Array / Mehrkanalsystem konzipiert und gebaut. Als kompaktes echtes "Embedded System" mit Vorgaben hinsichtlich Volumen (spezieller Formfaktor, Kompaktheit) und geringem Energieverbrauch (Abwärme, 16 Kanäle < 40W) wurde damit auch eine leistungsfähige, skalierbare Plattform für Phased Array / Mehrkanalanwendungen in der produktionsintegrierten ZfP mit Resourcen für Datenkompression und Signalverarbeitung geschaffen. Das Messsystem (Frontend) ist als eigenständige, intelligente Einheit konzipiert, die über eine schnelle Kommunikationsschnittstelle mittels PCI-Interface mit einem PC (Backend) zusammenarbeitet. Die physikalische Aufteilung in Frontend- und Backendsystem ermöglicht eine flexible Integration des Prüfsystems in verschiedene Applikationen. Durch den Einsatz moderner FPGA- und DSP-Technologie ist das System in der Lage, in Echtzeit zu arbeiten.

Weitere intelligente Module sorgen für die Signalaufbereitung, die Datenkompression und den Transfer der Daten zu einem DSP basierten Multiprozessorsystem über einen elektrischen oder optischen Link. Dadurch können mit einer Datenrate von 40 Mbyte/s Entfernungen bis zu 1000 Meter überbrückt werden. Das Gesamtsystem ist als Multiprozessorsystem ausgelegt. Die Konzeption folgt dem Trend, Hardware durch Software zu ersetzen. Das Prüfsystem kann in einem vorgegebenen Rahmen leicht an verschiedene mögliche Aufgabenstellungen im Umfeld von Phased- Array und Mehrkanalanwendungen adaptiert werden

2. Phased Array Technik

Die Grundlagen der aus der Radartechnik stammenden Phased -Array Technik sind in der Literatur hinlänglich beschrieben. Die mittlerweile auch in der Ultraschallprüfung verbreitete Technik beruht auf dem Prinzip von Huyghens. Diese besagt, dass jede Wellenfront letztendlich als Überlagerung von Elementarwellen (Kreis-, bzw. Kugelwellen) interpretiert und behandelt werden kann.

Bild 1: Simulation Senkrecht- und Schrägeinschallung mittels Phased Array

Schon die Überlagerung von zwei gegeneinander phasenstarren Elementarwellen führt zu einer ganz bestimmten Schallfeldverteilung (Richtcharakteristik) und Energieausbreitung mit Haupt- und Nebenkäulen. Nimmt man weitere Elementarquellen dazu, so kann man einfach aber eindrücklich mit einfachen Simulationen nachvollziehen (Bild 1) wie sich Einschallrichtung und Fokustiefe einer gegegeben Apertur über die Änderung der Phasenbeziehungen varieren lassen.

Mit geeigneter Mehrkanalelektronik, welche erlaubt einzelne Quellen (z.B. periodisch angeordnete Piezo-Stäbchen) mit umschaltbaren Phasenbeziehungen entsprechend anzuregen und zu empfangen, kann so mit einem einzigen Prüfkopf in Senkrecht- und Winkeleinschallung geprüft (z.B. Sektorscan, Schweissnahtprüfung) oder aber die Fokussierungstiefe bzw. die Abbildungsschärfe von Schuss zu Schuss verändert werden (dynamisches Fokussieren).

3. Phased Array Gerät ADAPT-US

3.1 Anforderungen und Konzeption, 12" Ultraschallmolch

Für die bereits in der Einleitung beschriebene Anwendung "Korrosionsprüfung mit einem 12 Molch" (KTI4337.1) wurde vom IZFP im Auftrag und in Zusammenarbeit mit der Innotest AG der Prototyp eines 16 Kanal Ultraschall Phased-Array-Systems als Embedded System' konzipiert und entwickelt. Maßgebliches Ziel der anwendungsorientierten Entwicklung des Prototypen war die Realisierung eines miniaturisierten Phased-Array Messgerätes in Bezug auf das verfügbare Volumen (max. 3,5 Liter) und eine geringe Verlustleistung (Vorgabe: < 50 Watt) [1].

Das Phased-Array Gerät ,PAG-ADAPT-US' wurde gemäß den folgenden Zielkriterien konzipiert:

  • Flexibles, anpassbares System mit Echtzeitverarbeitung auf der Basis der Gate-Array- und DSP-Technologie
  • Software statt Hardware mittels "Distributed Computing"
  • Skalierbarkeit und flexible Nutzung als Mehrkanal- und Phased-Array-System durch Modifikation von Software
  • Integration einer hohen Rechenleistung mittels DSP basierter Multiprozessortechnik für die Adaption des Systems an kritische Echtzeitanwendungen
  • Integriertes Positionsmodul inkl. externer I/O-Funktionalität

3.1 Realisierung und Weiterentwicklung, ADAPT-US

Als ,Eingebettetes System' wird in der Literatur ein intelligentes Modul in einem Produkt bezeichnet, das in seiner Umwelt mittels Sensorik und Aktorik komplexe Messungen durchführt, Steuerungsaufgaben übernimmt und in der Lage ist mit der Umgebung zu kommunizieren. Ein intelligentes Modul ist ein Mikrokontroller, ein Mikroprozessor für erweiterte Funktionalitäten oder ein Spezialprozessor (z.B. Digitaler-Signal-Prozessor) mit speziellen, numerischen Eigenschaften für die Signal- und Datenverarbeitung.

Die Realisierung des Prüfsystems als, Eingebettetes System' mit Unterteilung in ein intelligentes Frontend- und Backend-Modul (Bilder 2a,2b,2c ) eröffnet die Möglichkeit, vielfältige Aufgaben in einer vernetzten Struktur mit intelligenten Teilmodulen zu lösen, und erleichtert gleichzeitig die Anbindung des prüfspezifischen Messsystems nahe an die Sensorik und Aktorik.


Bild 2a:
Blockschaltbild Frontend Phased Array Gerät ADAPT-US

Bild 2b:
Übersicht über die realisierten Systemmodule

Bild 2c:
ADAPT-US Verbindung Frontend und Backend via SHARC Link
Bild 3: PAG ADAPT-US (Frontend und PCI Backend mit SHARC Cluster)

Durch die hohen Anforderungen an die Prüfzyklusrate und die damit verbundene hohe Datenmenge, wurde ein Konzept ausgewählt, das die Punkt zu Punkt Übertragung mit einem PC und einer DSP-basierten PCI-Schnittstelle über eine Paket-orientierte Vermittlung ermöglicht. Das Prüfsystem (Bild 3) verfügt über eine synchrone Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für die Kommunikation zwischen den Teilmodulen. Diese wird als Mezzanine-Modul auf die workstationseitige PCI-Schnittstelle gesteckt. Einer der beiden auf der PCI Schnittstelle vorhandenen Signalprozessoren, Floating-Point-DSP der Familie ,SHARC', ist für das Management des Prüfablaufs zuständig. Dies geschieht durch die Vermittlung von Datenpaketen (Prüfparameter) zwischen dem PC und der Fronteneinheit. Die Wahl der ausführbaren Funktionen in der Frontendeinheit wird durch eine im Paket abgelegte Kommandostruktur gesteuert. Der Empfang der Daten erfolgt physikalisch mit maximal 40 MByte/sec.

Die eingesetzten ,Embedded Controller' basieren auf der DSP Technologie. Das Frontendsystem besteht aus 3 verschiedenen elektronischen Karten, einem 4-Kanal Ultraschallmodul (PAG-US, vier Module werden für ein 16-Kanal-PAG eingesetzt), einer Datenvor-verarbeitungseinheit (PAG-DVV) mit intelligenter Koordinatenschnittstelle und einem Mastermodul (PAG-Master) zuzüglich der optischen oder elektrischen Kommunikationsschnittstelle für die Verbindung mit der Backendeinheit (vgl. Bild 2b). Das Ultraschallmodul PAG-US enthält für vier Kanäle den kompletten analogen und digitalen Verarbeitungspfad für die Betriebsart als Phased-Array-Gerät.

Dies sind je Kanal:
  • Sende- und Empfangsverzögerung
  • Sendeschalter und Eingangsbegrenzung
  • Programmierbarer Verstärker
  • Festfilter
  • ADC (12 bit 40 MHz (max. 56 MHz)
  • Additionssteuerwerk und Datenausgabe

Weitere Funktionsbausteine, welche in dem Gate-Array der Datenvorverarbeitung und dem Mastermodul integriert sind, werden für die Signalaufbereitung, die Datenkompression und den Transfer der Daten zu einem DSP-basierten Multiprozessorsystem benötigt. Der Transfer erfolgt über einen bidirektionalen optischen oder elektrischen synchronen Link. Ein Link ist eine DSP-spezifische bitserielle (4-Bit) Übertragungstechnik. Mit der optischen Übertragung können Entfernungen bis zu 1000 Meter überbrückt werden. Die Übertragung mit einem elektrischen Kabel ist bis zu einer Entfernung von 20 Metern garantiert.

Durch die Skalierbarkeit der Funktionalität in Bezug auf die Teilaufgaben, Ultraschall-, Signal- und Datenverarbeitung-, und Kommunikation ist es unter anderem möglich, mit drei elektronischen Karten ein 4-Kanal Prüfsystem zu assemblieren.

3.2 Firmware und Software

Die Softwarearchitektur der Frontend- und Backendeinheit basiert auf einem DSP basierten ,OS-Kernel' in Form eines Kommandoorientierten Interpreters für die eingesetzten Integer- und Floating-Point DSPs. Die Erweiterung der Funktionalität geschieht durch die Entwicklung von VHDL-Modulen für die Gate-Array's und/oder durch die Entwicklung von Softwaremodulen unter AINSI-C. Zeitkritische Funktionen werden in Assembler entwickelt. Für jede neue Funktion gibt es eine entsprechende Erweiterung der Software und der Parameterstruktur auf dem Backendmodul oder dem PC.

Bild 4: Multiprozessorarchitektur eines 16 kanaligen PAG ADAPT-US

Das Gesamtsystem ist als Multiprozessorsystem mit zehn Prozessorknoten auf der Basis der Gate-Array- und DSP-Technologie realisiert. Bild 4 zeigt im Überblick die Anordnung der Rechenknoten und die Aufteilung in Bezug auf die Frontend- und Backendeinheit. In den Rechenknoten der Frontendeinheit sind alle spezifischen Ultraschallfunktionen und Algorithmen mittels VHDL (Gate-Array) und Software (DSP) abgelegt. Dies sind:

  • Steuerung und Programmierung der Ultraschallmodule
  • Steuerung und Programmierung des intelligenten Positionsmoduls
  • Steuerung der Datenaufnahme in den Betriebsarten Phased-Array und Mixed Mode (vgl. unten)
  • Algorithmische Aufbereitung der Ultraschallsignale, z.B. Mittelung, Peak-Detektion, Halbwellenextremwertbildung, pixeliertes A-Bild, ALOK, Digitale Filter
  • Paketorientierte Datenvermittlung von und zu der Backendeinheit

Auf dem DSP basierten PCI-Modul (Backend) übernimmt ein Prozessor die Kommunikation mit dem Phased-Array Gerät. Der zweite Prozessor steht für die Abarbeitung von weiteren Algorithmen zur Verfügung. Durch die Integration weiterer PCI-Karten kann die notwendige algorithmische Rechenleistung erhöht werden. Dabei stellt jeder Prozessor eine Rechenleistung bis zu 120 MFlop zur Verfügung. Das Konzept folgt damit dem derzeit vorherrschenden Trend in der Meß- und Systemtechnik, Hardware weitestgehend durch Software zu ersetzen. Damit kann das System in einem vorgegebenen Rahmen mit zukünftigen Aufgabenstellungen mitwachsen. Unter anderem können neben bestehenden weitere tiefergreifende Signalverarbeitungsverfahren an unterschiedlichen Stellen integriert werden (vgl. Bild 5).


Bild 5: Beispiele von auf FPGA und DSP realisierten Signal- Kompressions-und Verarbeitungsalgorithmen

Für den Test des Systems steht eine Anwenderoberfläche zur Verfügung, welche die Funktionalität des Phased-Array-Gerätes demonstriert. Für die Entwicklung von spezifischen Applikationen wird ein Windows basiertes Programmsystem (bestehend aus mehreren Dll und Lib Strukturen) zur Verfügung gestellt. (Bild 6).

Bild 6: Übersicht Gesamtsystem mit Windows basierter Anwenderoberfläche

4. Phased Array Prüfköpfe, Modellierung und Bau

Im Zusammenhang mit einer definierten Ultraschall-Prüfaufgabe muss dem Prüfkopf als wichtigstes Element in der Messkette besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Hochwertige,vielelementige Phased-Array-Prüfköpfe für die Materialprüfung werden heute einzeln oder aber in Kleinserien hergestellt und sind entsprechend teuer.

Für die im Kapitel 3.1 erwähnte Prüfaufgabe (Spezifikation Korrosionsmapping, vgl. Bild 7) sollte ein vielelementiger Spezial-Prüfkopf gebaut werden. Um bestmögliche Resultate zu erzielen, wurde die Prüfkopfauslegung bereits vor dem aufwändigen Bau mittels Simulationsrechungen optimiert (Schallfeldberechungen) [4]. Unter anderem wurden Aperturgrösse (Elementzahl), axiale und radiale Krümmung, Elementbreite und Elementabstand in die Modellierung einbezogen (Bild 7). Bild 8 zeigt die letztendlich realisierte Prüfkopfanordnung und ein Messsignal an einem PUR-beschichteten Rohr. Bild 9 illustriert als Restwandstärken-C-Bild einen Korrosionsbefund (Aussenkorrosion mit Loch) eines Referenzkörpers.


Bild 7:
Prüfaufgabe und Beispiel einer Modellrechung für die Prüfkopfauslegung

Bild 8:
Spezial-Phased-Array-Prüfkopf mit zugehörigem A-Bild

Bild 9:
Korrosionsmapping (C-Bild Restwandstärke farbcodiert, 1mm/Farbe) mit Befund (Aussenkorrosion mit Loch), Prüffeld 1000*900 mm2

5. Erweitertes Anwendungsspektrum

Das dem kompakten Phased Array Gerät ,PAG-ADAPT-US' zu Grunde liegende Systemkonzept (vgl. Bild 10) ergibt Einsatzflexibilität und Systemskalierbarkeit. So können insbesondere durch Änderung der FPGA Funktionen und mittels der erweiterbaren Anzahl der Prozessorknoten, durch die nachträgliche Implementierung von Ablauf- und Verarbeitungsfunktionen die Durchführung von Ultraschallprüfungen in sehr verschiedenen Anwendungsfeldern ermöglicht werden. Neben der Hardware unterstützten Phased-Array Betriebsart lassen sich wegen der parallelen Struktur fast alle Multikanal Prüfungen programmieren. Diese ,Mixed Mode'-Betriebsart erlaubt auch die Emulation der Hardware Phased Array Struktur (Verzögerung und Addition) mittels reiner Addition durch Software ,Off-Line', indem die Signale der Einzelkanäle parallel oder gemultiplext aufgenommen und erst in der Multiprozessorstruktur entsprechend phasenverzögert addiert werden. Selbstverständlich ist auch ein Multiplexbetrieb über N-Kanäle möglich:


Bild 10: ADAPT-US, Flexibilität und Skalierbarkeit des Systemkonzeptes durch Firmwareänderung im FPGA und/oder DSP Software

Folgenden Datenerfassungstechniken sind möglich:

  • Betriebsart Phased Array mittels Hardware und/oder Software
    • Echtzeit und Standard: N-Kanal parallel mit phasenverzögerter Summenbildung mittels Gate-Array
    • N-Kanal parallel mit phasenverzögerter Summenbildung mittels Software im Frontend DSP
    • N-Kanal parallel mit phasenverzögerter Summenbildung mittels Software im Backend DSP
    • N-Kanal parallel mit phasenverzögerter Summenbildung mittels Software im PC
  • Betriebsart Multikanal
    • N-Kanal parallel, lesen sequentiell
    • N-Kanal Multiplex, lesen sequentiell
  • Betriebsart Mixed Mode Phasesd Array und Multikanal
    • N-Kanal und PAG, parallel/ seriell und im Multiplex
  • Emulation ,PAG-Mode' mittels Signal- und Datenverarbeitungstechniken
    • Emulation beliebiger Variationen für einen weitergehenden Einsatz von Signalverarbeitungsalgorithmen, Emulation verschiedener Einschall-winkel und Prüfkopfanordnungen/ -eigenschaften (I/E, Pitch- and Catch, T/R, Aperturgrösse etc.) durch sequentielles/paralleles Senden/Empfangen mit 20 Mikrosekunden Umschaltzeit und algorithmische Rekonstruktion im Pixelraum des Prüfobjektes mittels Software (DSP auf Backendmodul und/oder PC)

Via Mischbetriebsmodi und einer geeigneten Schaltelektronik können verschiedenste in den Fertigungsprozess integrierte Prüfaufgaben gelöst werden (z.B. Langgutprüfung, Schweissnahtprüfung in I/E und Tandem, etc.).

6. Zusammenfassung und Ausblick

Durch die Entwicklung von Basis-Frontend-Modulen als eingebettete Systeme konnte ein flexibles Gerätekonzept realisiert werden. Dieses gewährleistet auf Grund seiner Skalierbarkeit einen schnellen und kostengünstigen Aufbau von den Prüfanforderungen enstprechenden Prüfsystemen und Geräten. Mit der Ethernet-Schnittstelle steht für die Geräte- und Systementwicklung eine standardisierte Schnittstelle zur Verfügung, die auch unter industriellen Umgebungsbedingungen eine zuverlässige Vernetzung der Frontend-Module sicherstellt. Weitere Schnittstellen wurden und können in das Spektrum der Entwicklungen miteinbezogen werden. Das Phased-Array-Gerät ,PAG-ADAPT-US' stellt ein verteiltes Prüfsystem dar, welches als eingebettetes System eine hohe Rechenkapazität bereitstellt. Dieses System, das für rechenintensive Anwendungen konzipiert wurde, verwendet eine PCI-Multiprozessorschnittstelle auf der Basis von digitalen Signalprozessoren und für die Kommunikation zwischen Frontend- und Backendeinheit eine optische oder elektrische Schnittstelle. Die Anpassung des Phased-Array-Gerätes an verschiedene Anwendungen erfolgt mittels Software: Firmware in Hardwarebausteinen (Gate-Arrays) oder Softwaremodule auf PC und/oder DSP. Durch den Aufbau mittels Signalprozessoren ist eine Modifikation in Bezug auf rechenintensive und komplexe Algorithmen gewährleistet.

7. Dank

An dieser Stelle danken die Autoren all jenen Personen die mitgeholfen haben das anspruchsvolle System zu realisieren. Besonderer Dank gilt den Projektpartnern und der Kommission für Technische Innovation (KTI) für die Ermöglichung und Förderung des Projekts KTI 4337.1.

8. Referenzen

  1. A. Rieder; Diagnose und Zustandsanalyse von gusseisernen Rohrleitungen mittels Ultraschall; 5. Bregenzer Rohrleitungstage und Fachausstellung, 25./26. Sept. 2001
  2. P. Nellen; Jahresbericht 2001 EMPA (Eidgenössische Material Forsch- und Prüfanstalt)
  3. H. Rieder; Fraunhofer IZFP Jahresbericht 2001, Modulentwicklung für ein Molchprüfsystem
  4. H. Rieder, M. Spies and R. Licht (IZFP) and P. Kreier (Innotest AG); Developement and Optimization of a Rotating Phased Array Inspection System; August 2002, to be published in theProceedings of the Annual Review of Progress in QNDE, Vol. 22, edited by D.O. Thompson and D.E. Chimenti, Plenum Press

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net