基于嵌入式的新型工業(yè)數(shù)字超聲探傷儀的設(shè)計(jì)

超聲探傷儀廣泛應(yīng)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(nèi)部缺陷以及分析材質(zhì)，是無損檢測領(lǐng)域重要的檢測儀器之一。超聲探傷時(shí)，應(yīng)用得最多的是A型顯示，如圖1所示。

在A型顯示中，橫坐標(biāo)代表被測物的深度，縱坐標(biāo)代表回波信號(hào)的幅度。目前同內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)字式超聲探傷儀仍主要以單片機(jī)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，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(shù)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(hào)采集及處理核心，并輔以功能強(qiáng)大的Linux操作系統(tǒng)和MiniGUI圖形庫，實(shí)現(xiàn)了一款性能卓越、功能豐富的新型嵌入式超聲探傷儀。

設(shè)計(jì)思想與總體方案

本設(shè)計(jì)中的嵌入式探傷儀由兩部分組成，一部分是模擬信號(hào)前端，包括超聲發(fā)射接收電路及電源電路;另一部分是數(shù)字信號(hào)采集處理及控制后端，簡稱超聲主控計(jì)算機(jī)，也是本文主要介紹的部分。系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖2所示。

系統(tǒng)中選用S3C2440處理器，內(nèi)嵌ARM920T核。本設(shè)計(jì)應(yīng)用了這款芯片的諸多特點(diǎn)：高達(dá)203MHz的主頻;內(nèi)部集成LCD控制器(STNTFT);3路異步串行通信接口;內(nèi)置看門狗定時(shí)電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC);內(nèi)部集成兩路USB host和一路USBdevice;對(duì)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(tǒng)的輕量級(jí)圖形用戶界面支持系統(tǒng)。它包含全部功能的庫文件大小為300 kB左右，可以根據(jù)開發(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(tǒng)的圖形平臺(tái)。

在超高速數(shù)據(jù)采集方面，本系統(tǒng)中選用的Spartan-3結(jié)構(gòu)與Virtex-II類似，1.2V內(nèi)核，其在超高速數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理方而有著明顯的優(yōu)勢。 在儀器性能方面，為了保證數(shù)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(shù)字信號(hào)處理：

·數(shù)字檢波，包括正向、負(fù)向、雙向及RF檢波

·數(shù)字濾波，程控帶通FIR濾波器保證對(duì)0.5MHz～15MHz回波信號(hào)的良好數(shù)字濾波

·60MHz硬件采樣速率通過四次移相時(shí)鐘處理，實(shí)現(xiàn)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性)

·實(shí)時(shí)探傷報(bào)警(硬件報(bào)警閘門)

在儀器功能方面，充分利用ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)、USB等豐富接口，使得儀器可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)端Windows下的上位機(jī)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(shù)和上傳探傷數(shù)據(jù)與圖片，并使機(jī)器能連接U盤、移動(dòng)硬盤、USB打印機(jī)等諸多設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用最新的Linux內(nèi)核(Linux2.6.16)，系統(tǒng)在響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)功能等諸多方而都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4內(nèi)核。在本項(xiàng)目開發(fā)過程中，采用的是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng);在最終的產(chǎn)品上，采用的是在DOC(MTD)上的ext2文件系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件資源分配

總線分配

S3C2440地址總線內(nèi)部是32位(4G)，外部27位(128M)。數(shù)據(jù)總線寬度為32位。當(dāng)外設(shè)芯片與CPU相接時(shí)，主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線寬度可設(shè)置為32位、16位或8位模式。設(shè)置是在BWSCON寄存器中的DW位實(shí)現(xiàn)的。各外部設(shè)備的總線接法如表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(tǒng)中各外圍接口設(shè)備所對(duì)應(yīng)的地址空間分別為：

(1)NOR FLASH，nGCS0，接的是一片8M×16位數(shù)據(jù)寬度的INTEL TE28F128 FLASH，用于存放ppcboot引導(dǎo)程序和Linux內(nèi)核;

(2)網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000，使用nGCS1，用于網(wǎng)絡(luò)傳輸收發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存;

(3)DOC，使用nGCS2，存放文件系統(tǒng)包括管理程序、系統(tǒng)命令等;

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

(5)主控計(jì)算機(jī)內(nèi)存由兩片16M×16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM構(gòu)成，兩片拼成32位模式，共用nGCS6。共64M RAM，用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)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(kuò)展的外設(shè)接口中，網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000使用EINT0。FPGA擴(kuò)展中斷資源為EINT1、EINT2、EINT3、EINT4、EINT5、EINT6及EINT7。鍵盤用EINT2，前端圖像數(shù)據(jù)更新用EINT3，回波頻率測試數(shù)據(jù)更新用EINT4，系統(tǒng)關(guān)機(jī)按鍵用EINT1。其他中斷信號(hào)保留。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的總體框圖如圖3。

超聲探傷系統(tǒng)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(yīng)用程序中使用多線程技術(shù)。在保證系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的功能。和單線程相比，多線程程序可以并行執(zhí)行多個(gè)操作，所以事件可以在他們到達(dá)后立刻得到處理。本系統(tǒng)可以分為四個(gè)線程，在主線程中，用MiniGUI實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探傷、參數(shù)下載和報(bào)表打印三個(gè)模塊的功能，另外創(chuàng)建三個(gè)輔助線程，分別為：

讀數(shù)據(jù)線程，用于讀取實(shí)時(shí)探傷數(shù)據(jù);讀鍵盤線程，讀取鍵盤上被按下的按鍵鍵值，然后再通過SendMessage(hWnd，iMsg，wParam，lParam)發(fā)送一個(gè)按鍵消息，此消息將在MiniGUI的主窗口過程函數(shù)中進(jìn)行處理;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。

測試及結(jié)論

經(jīng)檢測表明，本設(shè)計(jì)樣機(jī)的功能和指標(biāo)達(dá)到或超過國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)一一探傷靈敏度佘量高達(dá)68dB(同家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不低于46 dB)，而薄板分辨力小于1mm(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不高于3mm)。另外，經(jīng)專業(yè)探傷專家試用，樣機(jī)能很好地應(yīng)用于超聲探傷難度最大的大鍛件粗晶材料的探傷現(xiàn)場?，F(xiàn)場試用情況表明，儀器信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)。

試用證明，本嵌入式數(shù)字超聲探傷儀設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有性能優(yōu)異、可靠性高、界面友好、操作方便、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)工業(yè)超聲探傷儀領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。