基于ARM和FPGA的嵌入式超聲探傷系統(tǒng)

1 引言

超聲技術(shù)是無損檢測的一種重要方法，很多數(shù)字探傷儀以單片機(jī)（MCU）為核心，單片機(jī)固有的性能瓶頸制約了儀器的性能指標(biāo)和功能擴(kuò)展，存在存儲體積太小、實時性低等缺點。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，硬件和軟件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。基于ARM的處理器具有良好的性能并在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用^[1-2]。在超高速數(shù)據(jù)采集方面, FPGA (Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列) 有著單片機(jī)和DSP 所無法比擬的優(yōu)勢。FPGA 時鐘頻率高, 內(nèi)部時延小,全部控制邏輯由硬件資源完成, 速度快, 效率高,提供了強(qiáng)大的信號處理能力，用于超聲信號高速濾波和壓縮。基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)字超聲探傷系統(tǒng)實現(xiàn)高速采集超聲檢測信號，擁有存儲大量回波圖像和數(shù)據(jù)的能力，而且實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由ARM中央處理器、FPGA、超聲模擬前端和一些外設(shè)接口組成。本系統(tǒng)采用S3C2410A是一個由三星公司生產(chǎn)的32位的ARM920T核的微處理器，它是專門為手提設(shè)備設(shè)計，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有MMU、AMBA總線。S3C2410A提供了一套完備的外圍接口，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展^[3]。FPGA用于對超聲回波信號進(jìn)行處理。盡管此系統(tǒng)自帶的存儲空間是有限的（共128MB），但是我們可以通過USB接口將超聲圖像和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到U盤。RS232用于嵌入式系統(tǒng)調(diào)試階段并可以查看調(diào)試信息。DM9000是完全綜合的、成本較低的單一快速以太網(wǎng)控制器芯片，具有通用的處理器接口，10/100M自適應(yīng)，以及4K雙字節(jié)靜態(tài)存取存儲器。通過DM9000，探傷數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的計算機(jī)上。Linux操作系統(tǒng)存儲在Flash上，探傷數(shù)據(jù)和圖像暫存在DOC（Disk On Chip）。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）已經(jīng)成為現(xiàn)代儀表用戶界面的主要發(fā)展方向，它不僅省電，而且能顯示大量的信息，如各種文字、曲線等等，本項目采用320 240的256色的真彩色液晶顯示器。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，探傷工人首先設(shè)置儀器參數(shù)，然后ARM向FPGA的相應(yīng)寄存器下載參數(shù)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生一個窄的脈沖來觸發(fā)超聲探頭發(fā)射超聲。FPGA控制ADC（Analog-Digital Converter）以60MHz的速度采集回波信號，超聲信號經(jīng)過FPGA濾波后，再被壓縮成LCD屏幕的寬度，超聲回波圖像和檢測結(jié)果在LCD屏幕上顯示。DAC（Distance Amplitude Compensation）曲線和報警閘門也用于輔助探傷。圖2（a）是我們設(shè)計的超聲探傷儀樣品，圖2（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖2 超聲探傷儀

3 信號處理

FPGA主要對信號進(jìn)行濾波和壓縮。前端回來的回波信號含有很多干擾噪聲，因此必須先經(jīng)過濾波處理。采用FIR濾波器來消除噪聲，由公式（1）定義，x(n) 是輸入的原始信號，y(n)是處理完的信號。FIR濾波器的優(yōu)點是：系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，所有頻率的輸入信號產(chǎn)生同樣的偏移，從而消除了相位扭曲。

(1)

數(shù)據(jù)壓縮是從每幀數(shù)據(jù)中提取屏幕寬度（為320）的數(shù)據(jù)用來表示這幀數(shù)據(jù)。提取算法必須確保每幀中最大的和最小的數(shù)據(jù)不能被漏掉，因此我們首先將數(shù)據(jù)分成320段，然后分別在每段中尋找最大最小值作為該段代表值。

4 軟件設(shè)計

由于Linux系統(tǒng)具有源碼開放、內(nèi)核可定制裁減、實時性能好等特點，在嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用最新的Linux內(nèi)核（Linux2.6.16），使得系統(tǒng)在響應(yīng)速度，驅(qū)動功能等諸多方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4 內(nèi)核。www.51kaifa.com

超聲探傷系統(tǒng)同時要處理的任務(wù)比較多，而且實時性要求高，因此在程序中使用多線程技術(shù)。和單線程相比，多線程程序可以并行執(zhí)行多個操作，事件可以在他們到達(dá)后立刻得到處理。如圖3所示，本系統(tǒng)可以分為三個線程，分別為：(1)主線程 用MiniGUI實現(xiàn)實時探傷、參數(shù)下載和報表打印三個模塊的功能；(2) 讀數(shù)據(jù)線程 用于讀取實時探傷數(shù)據(jù)；(3)網(wǎng)絡(luò)線程 向上位機(jī)傳送探傷數(shù)據(jù)并接收上位機(jī)的控制命令。

圖3 應(yīng)用軟件框架示意圖

在探傷儀上，我們以MiniGUI為基礎(chǔ)來實現(xiàn)界面功能，在上位機(jī)上使用VC++6.0來開發(fā)并采用WinSock技術(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。 MiniGUI是嵌入式 Linux 系統(tǒng)下一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng), 具有占用資源少、高性能、高可靠性和可配置等特點，該技術(shù)目前已比較成熟, 并已成功應(yīng)用到很多嵌入式項目。www.51kaifa.com

遠(yuǎn)程監(jiān)控是指將控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)在異地對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測和控制。在國外，已有公司開發(fā)了AutoNDT軟件，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于超聲探傷中，通過Internet實現(xiàn)了遠(yuǎn)程探傷診斷和聯(lián)網(wǎng)，并具有強(qiáng)大的本地數(shù)據(jù)處理功能^[4]。如圖4所示，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，將探傷儀器設(shè)為服務(wù)器，上位機(jī)設(shè)為客戶端。由于超聲探傷常用于比較重要的行業(yè)，如火車鋼軌、鍋爐等缺陷的檢測，因此要求探傷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，能夠真實地、完全地再現(xiàn)檢測檢測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)^[5]。為實現(xiàn)這個目的，本項目網(wǎng)絡(luò)連接采用TCP/IP面向連接的協(xié)議，來確保探傷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

探傷過程中，在上位機(jī)和探傷儀器上同步顯示了同樣的探傷波形及參數(shù)，在上位機(jī)上還可以通過網(wǎng)絡(luò)向探傷儀下載儀器參數(shù)。因此，有經(jīng)驗的探傷專家可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測和指導(dǎo)探傷過程，或者當(dāng)探傷環(huán)境比較惡劣或危險時，探傷人員就不用親自到現(xiàn)場，只需在辦公室里通過網(wǎng)絡(luò)來遙控探傷儀進(jìn)行探傷，大大提高了探傷的自動化程度與靈活性。

5 結(jié)語

利用FPGA在高速信號采集及數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢，ARM9 CPU強(qiáng)大的控制及接口功能，以及嵌入式Linux和MiniGUI為網(wǎng)絡(luò)、可視化圖形界面、多線程等編程提供的便捷高效的底層支持，免費(fèi)和開放原碼的優(yōu)良特性，開發(fā)出的嵌入式通用探傷儀具有性能優(yōu)異，功能豐富、可靠性高、界面友好、操作方便、性價比高等諸多優(yōu)點，在工業(yè)數(shù)字探傷儀領(lǐng)域有極強(qiáng)的競爭力。另外，一方面，由于有高性能FPGA做底層支持，便于先進(jìn)的信號處理方法在此儀器上的升級（比如說小波變換和時頻分析理論應(yīng)用于超聲信號的處理）；另一方面，由于有功能強(qiáng)大，升級方便的Linux操作系統(tǒng)支持，為系統(tǒng)在硬件擴(kuò)展和應(yīng)用軟件升級等方面都提供了極大的便利。設(shè)計的超聲探傷系統(tǒng)具有完善的軟件功能，通過TCP/IP實現(xiàn)C/S模式下的跨平臺通信，可以對超聲探傷進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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導(dǎo)師批注：該論文結(jié)合實際項目的開發(fā)過程，詳細(xì)闡述了通過ARM和FPGA構(gòu)造嵌入式超聲探傷系統(tǒng)的步驟，從硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計到軟件設(shè)計全方面地總結(jié)了項目設(shè)計的要點，觀點新穎，方案實用，可以作為一種嵌入式實施方案舉一反三地移植到新的應(yīng)用上。

創(chuàng)新觀點：

1、 將ARM和FPGA構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，并應(yīng)用于超聲檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)高速超聲信號采集和處理，并且數(shù)據(jù)存儲容量大。www.51kaifa.com

2、 構(gòu)建跨平臺網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對超聲探傷的遠(yuǎn)程監(jiān)控，不但可以在遠(yuǎn)程監(jiān)測超聲探傷過程，還可以下載儀器參數(shù)控制探傷儀。