基于A(yíng)RM和FPGA的嵌入式超聲探傷系統

1 引言

超聲技術(shù)是無(wú)損檢測的一種重要方法，很多數字探傷儀以單片機（MCU）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，存在存儲體積太小、實(shí)時(shí)性低等缺點(diǎn)。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，硬件和軟件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。基于ARM的處理器具有良好的性能并在嵌入式系統中得到了廣泛的應用^[1-2]。在超高速數據采集方面, FPGA (Field Programmable Gate Array現場(chǎng)可編程門(mén)陣列) 有著(zhù)單片機和DSP 所無(wú)法比擬的優(yōu)勢。FPGA 時(shí)鐘頻率高, 內部時(shí)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的嵌入式數字超聲探傷系統實(shí)現高速采集超聲檢測信號，擁有存儲大量回波圖像和數據的能力，而且實(shí)現了遠程監控。

2 系統硬件結構

系統的硬件結構圖如圖1所示，由ARM中央處理器、FPGA、超聲模擬前端和一些外設接口組成。本系統采用S3C2410A是一個(gè)由三星公司生產(chǎn)的32位的ARM920T核的微處理器，它是專(zhuān)門(mén)為手提設備設計，采用哈佛總線(xiàn)結構，具有MMU、AMBA總線(xiàn)。S3C2410A提供了一套完備的外圍接口，有利于系統的擴展^[3]。FPGA用于對超聲回波信號進(jìn)行處理。盡管此系統自帶的存儲空間是有限的（共128MB），但是我們可以通過(guò)USB接口將超聲圖像和數據轉存到U盤(pán)。RS232用于嵌入式系統調試階段并可以查看調試信息。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，以及4K雙字節靜態(tài)存取存儲器。通過(guò)DM9000，探傷數據可以傳輸到遠程的計算機上。Linux操作系統存儲在Flash上，探傷數據和圖像暫存在DOC（Disk On Chip）。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）已經(jīng)成為現代儀表用戶(hù)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(xiàn)等等，本項目采用320 240的256色的真彩色液晶顯示器。

圖1 硬件結構圖

當系統開(kāi)始運行時(shí)，探傷工人首先設置儀器參數，然后ARM向FPGA的相應寄存器下載參數，FPGA產(chǎn)生一個(gè)窄的脈沖來(lái)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(guò)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果在LCD屏幕上顯示。DAC（Distance Amplitude Compensation）曲線(xiàn)和報警閘門(mén)也用于輔助探傷。圖2（a）是我們設計的超聲探傷儀樣品，圖2（b）內部結構圖。

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(lái)的回波信號含有很多干擾噪聲，因此必須先經(jīng)過(guò)濾波處理。采用FIR濾波器來(lái)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(diǎn)是：系統總是穩定的，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)

數據壓縮是從每幀數據中提取屏幕寬度（為320）的數據用來(lái)表示這幀數據。提取算法必須確保每幀中最大的和最小的數據不能被漏掉，因此我們首先將數據分成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 軟件設計

由于Linux系統具有源碼開(kāi)放、內核可定制裁減、實(shí)時(shí)性能好等特點(diǎn)，在嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本設計采用最新的Linux內核（Linux2.6.16），使得系統在響應速度，驅動(dòng)功能等諸多方面都遠遠優(yōu)于傳統的2.4 內核。www.51kaifa.com

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，因此在程序中使用多線(xiàn)程技術(shù)。和單線(xiàn)程相比，多線(xiàn)程程序可以并行執行多個(gè)操作，事件可以在他們到達后立刻得到處理。如圖3所示，本系統可以分為三個(gè)線(xiàn)程，分別為：(1)主線(xiàn)程 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；(2) 讀數據線(xiàn)程 用于讀取實(shí)時(shí)探傷數據；(3)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。

圖3 應用軟件框架示意圖

在探傷儀上，我們以MiniGUI為基礎來(lái)實(shí)現界面功能，在上位機上使用VC++6.0來(lái)開(kāi)發(fā)并采用WinSock技術(shù)來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能。 MiniGUI是嵌入式 Linux 系統下一個(gè)輕量級的圖形用戶(hù)界面支持系統, 具有占用資源少、高性能、高可靠性和可配置等特點(diǎn)，該技術(shù)目前已比較成熟, 并已成功應用到很多嵌入式項目。www.51kaifa.com

遠程監控是指將控制和網(wǎng)絡(luò )結合起來(lái)，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現在異地對現場(chǎng)設備的監測和控制。在國外，已有公司開(kāi)發(fā)了AutoNDT軟件，將網(wǎng)絡(luò )技術(shù)用于超聲探傷中，通過(guò)Internet實(shí)現了遠程探傷診斷和聯(lián)網(wǎng)，并具有強大的本地數據處理功能^[4]。如圖4所示，遠程監控系統采用客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）模式，將探傷儀器設為服務(wù)器，上位機設為客戶(hù)端。由于超聲探傷常用于比較重要的行業(yè)，如火車(chē)鋼軌、鍋爐等缺陷的檢測，因此要求探傷數據準確性高，能夠真實(shí)地、完全地再現檢測檢測現場(chǎng)的數據^[5]。為實(shí)現這個(gè)目的，本項目網(wǎng)絡(luò )連接采用TCP/IP面向連接的協(xié)議，來(lái)確保探傷數據傳輸的準確性。

圖4 網(wǎng)絡(luò )系統結構圖

探傷過(guò)程中，在上位機和探傷儀器上同步顯示了同樣的探傷波形及參數，在上位機上還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向探傷儀下載儀器參數。因此，有經(jīng)驗的探傷專(zhuān)家可以通過(guò)上位機遠程監測和指導探傷過(guò)程，或者當探傷環(huán)境比較惡劣或危險時(shí)，探傷人員就不用親自到現場(chǎng)，只需在辦公室里通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)遙控探傷儀進(jìn)行探傷，大大提高了探傷的自動(dòng)化程度與靈活性。

5 結語(yǔ)

利用FPGA在高速信號采集及數字信號處理方面的優(yōu)勢，ARM9 CPU強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(xiàn)程等編程提供的便捷高效的底層支持，免費和開(kāi)放原碼的優(yōu)良特性，開(kāi)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?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)數字探傷儀領(lǐng)域有極強的競爭力。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(shuō)小波變換和時(shí)頻分析理論應用于超聲信號的處理）；另一方面，由于有功能強大，升級方便的Linux操作系統支持，為系統在硬件擴展和應用軟件升級等方面都提供了極大的便利。設計的超聲探傷系統具有完善的軟件功能，通過(guò)TCP/IP實(shí)現C/S模式下的跨平臺通信，可以對超聲探傷進(jìn)行遠程監控。

參考文獻：

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[2]廖高華, 余紅粒, 唐鋼．基于嵌入式計算機的超聲檢測系統[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006. 4www.51kaifa.com

[3]Samsung Electronics Co., Ltd.S3C2410A USER'S MANUAL, 2004

[4]KM.Abd El-Ghany; M.M.Farag; “AutoNDT:New Software for Remote Ultrasonic Scanning Via Internet”, NDTE International, Volumn:35,2002

[5]郭其一, 吳松, 賈鵬．基于網(wǎng)絡(luò )的跨平臺遠程狀態(tài)檢測與故障診斷系統研究[J]中國科技信息,2005.11

導師批注：該論文結合實(shí)際項目的開(kāi)發(fā)過(guò)程，詳細闡述了通過(guò)ARM和FPGA構造嵌入式超聲探傷系統的步驟，從硬件結構設計到軟件設計全方面地總結了項目設計的要點(diǎn)，觀(guān)點(diǎn)新穎，方案實(shí)用，可以作為一種嵌入式實(shí)施方案舉一反三地移植到新的應用上。

創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)：

1、 將ARM和FPGA構建嵌入式系統，并應用于超聲檢測系統，實(shí)現高速超聲信號采集和處理，并且數據存儲容量大。www.51kaifa.com

2、 構建跨平臺網(wǎng)絡(luò )通信系統，實(shí)現對超聲探傷的遠程監控，不但可以在遠程監測超聲探傷過(guò)程，還可以下載儀器參數控制探傷儀。