基于嵌入式的新型工業(yè)數字超聲探傷儀的設計

超聲探傷儀廣泛應用在航空航天、石油化工、冶金造船等行業(yè)，用于檢測金屬或非金屬內部缺陷以及分析材質(zhì)，是無(wú)損檢測領(lǐng)域重要的檢測儀器之一。超聲探傷時(shí)，應用得最多的是A型顯示，如圖1所示。

在A(yíng)型顯示中，橫坐標代表被測物的深度，縱坐標代表回波信號的幅度。目前同內生產(chǎn)的數字式超聲探傷儀仍主要以單片機為核心，單片機固有的性能瓶頸制約了儀器的性能指標和功能擴展，與國外先進(jìn)水平相比，國產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)水平仍有較大的差距。

本文介紹的新型嵌入式數字超聲探傷儀以32位RISC CPU S3C2440為控制中心，以高性能FPGA Spartan3為信號采集及處理核心，并輔以功能強大的Linux操作系統和MiniGUI圖形庫，實(shí)現了一款性能卓越、功能豐富的新型嵌入式超聲探傷儀。

設計思想與總體方案

本設計中的嵌入式探傷儀由兩部分組成，一部分是模擬信號前端，包括超聲發(fā)射接收電路及電源電路;另一部分是數字信號采集處理及控制后端，簡(jiǎn)稱(chēng)超聲主控計算機，也是本文主要介紹的部分。系統硬件的總體框圖如圖2所示。

系統中選用S3C2440處理器，內嵌ARM920T核。本設計應用了這款芯片的諸多特點(diǎn)：高達203MHz的主頻;內部集成LCD控制器(STNTFT);3路異步串行通信接口;內置看門(mén)狗定時(shí)電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC);內部集成兩路USB host和一路USBdevice;對嵌入式Linux良好的支持等。

MiniGUI則是一個(gè)基于Linux、面向嵌入式系統的輕量級圖形用戶(hù)界面支持系統。它包含全部功能的庫文件大小為300 kB左右，可以根據開(kāi)發(fā)的需要自行進(jìn)行配置和編譯，特別適合作為嵌入式Linux系統的圖形平臺。

在超高速數據采集方面，本系統中選用的Spartan-3結構與Virtex-II類(lèi)似，1.2V內核，其在超高速數據采集和信號處理方而有著(zhù)明顯的優(yōu)勢。 在儀器性能方面，為了保證數字超聲探傷儀0.01mm的檢測精度和0～6000mm可變探測范圍，在FPGA中主要進(jìn)行如下數字信號處理：

·數字檢波，包括正向、負向、雙向及RF檢波

·數字濾波，程控帶通FIR濾波器保證對0.5MHz～15MHz回波信號的良好數字濾波

·60MHz硬件采樣速率通過(guò)四次移相時(shí)鐘處理，實(shí)現等效240MHz高采樣率

·智能提取(提取點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配算法以保證顯示波形的水平線(xiàn)性)

·實(shí)時(shí)探傷報警(硬件報警閘門(mén))

在儀器功能方面，充分利用ARM+Linux嵌入式系統的優(yōu)勢，擴展網(wǎng)絡(luò )、USB等豐富接口，使得儀器可以實(shí)現PC機端Windows下的上位機軟件和探傷儀上的LCD同步實(shí)時(shí)顯示，隨時(shí)下載探傷參數和上傳探傷數據與圖片，并使機器能連接U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、USB打印機等諸多設備。本設計采用最新的Linux內核(Linux2.6.16)，系統在響應速度、驅動(dòng)功能等諸多方而都遠遠優(yōu)于傳統的2.4內核。在本項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用的是網(wǎng)絡(luò )文件系統;在最終的產(chǎn)品上，采用的是在DOC(MTD)上的ext2文件系統。

系統硬件資源分配

總線(xiàn)分配

S3C2440地址總線(xiàn)內部是32位(4G)，外部27位(128M)。數據總線(xiàn)寬度為32位。當外設芯片與CPU相接時(shí)，主控計算機的數據總線(xiàn)寬度可設置為32位、16位或8位模式。設置是在BWSCON寄存器中的DW位實(shí)現的。各外部設備的總線(xiàn)接法如表1所示。

外部地址空間分配

S3C2440提供8路片選，nGCS[0～7]，每個(gè)片選都指定了固定的地址，每個(gè)片選固定間隔為128MB。

本系統中各外圍接口設備所對應的地址空間分別為：

(1)NOR FLASH，nGCS0，接的是一片8M×16位數據寬度的INTEL TE28F128 FLASH，用于存放ppcboot引導程序和Linux內核;

(2)網(wǎng)絡(luò )芯片DM9000，使用nGCS1，用于網(wǎng)絡(luò )傳輸收發(fā)數據的轉存;

(3)DOC，使用nGCS2，存放文件系統包括管理程序、系統命令等;

(4)FPGA連接nGCS3，nGCS4;keyboard+led使用nGCS3，前端數字信號處理使用nGCS4。

(5)主控計算機內存由兩片16M×16位數據寬度的SDRAM構成，兩片拼成32位模式，共用nGCS6。共64M RAM，用于動(dòng)態(tài)數據緩存。

中斷資源分配

S3C2440可處理56路中斷，其中24路為外部中斷EINTn。板上擴展的外設接口中，網(wǎng)絡(luò )接口芯片DM9000使用EINT0。FPGA擴展中斷資源為EINT1、EINT2、EINT3、EINT4、EINT5、EINT6及EINT7。鍵盤(pán)用EINT2，前端圖像數據更新用EINT3，回波頻率測試數據更新用EINT4，系統關(guān)機按鍵用EINT1。其他中斷信號保留。

系統軟件設計

系統軟件的總體框圖如圖3。

超聲探傷系統同時(shí)要處理的任務(wù)比較多，而且實(shí)時(shí)性要求高，因此在探傷應用程序中使用多線(xiàn)程技術(shù)。在保證系統能夠快速響應的同時(shí)，還能夠實(shí)現豐富的功能。和單線(xiàn)程相比，多線(xiàn)程程序可以并行執行多個(gè)操作，所以事件可以在他們到達后立刻得到處理。本系統可以分為四個(gè)線(xiàn)程，在主線(xiàn)程中，用MiniGUI實(shí)現實(shí)時(shí)探傷、參數下載和報表打印三個(gè)模塊的功能，另外創(chuàng )建三個(gè)輔助線(xiàn)程，分別為：

讀數據線(xiàn)程，用于讀取實(shí)時(shí)探傷數據;讀鍵盤(pán)線(xiàn)程，讀取鍵盤(pán)上被按下的按鍵鍵值，然后再通過(guò)SendMessage(hWnd，iMsg，wParam，lParam)發(fā)送一個(gè)按鍵消息，此消息將在MiniGUI的主窗口過(guò)程函數中進(jìn)行處理;網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)程，向上位機傳送探傷數據，并接收上位機的控制命令。

測試及結論

經(jīng)檢測表明，本設計樣機的功能和指標達到或超過(guò)國家行業(yè)標準JB/T 10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件》的要求。其中，超聲探傷儀最重要的指標一一探傷靈敏度佘量高達68dB(同家標準規定不低于46 dB)，而薄板分辨力小于1mm(國家標準規定不高于3mm)。另外，經(jīng)專(zhuān)業(yè)探傷專(zhuān)家試用，樣機能很好地應用于超聲探傷難度最大的大鍛件粗晶材料的探傷現場(chǎng)?，F場(chǎng)試用情況表明，儀器信噪比高，抗干擾能力強。

試用證明，本嵌入式數字超聲探傷儀設計項目具有性能優(yōu)異、可靠性高、界面友好、操作方便、性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內工業(yè)超聲探傷儀領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。