[畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]基于ARM920T核的S3C2410X嵌入式系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)論文

1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一 基于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)一種基于arm920t核的s3c2410x嵌入式的可用于螺栓、鋼球、薄壁管材、小直徑棒材和平面鋼材等裂紋和缺陷無(wú)損檢測(cè)儀的組成結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)及軟件編程?？筛鶕?jù)不同的檢測(cè)對(duì)象選擇不同的傳感器,使用不同的算法完成不同材料的表面及近表面的裂紋和缺陷無(wú)損檢測(cè),該儀器界面簡(jiǎn)潔,操作方便,具有高精度和高穩(wěn)定性。在對(duì)螺栓、薄壁管材、小直徑棒材和平面鋼材等零件及材料的表面裂紋、近表面及內(nèi)部材質(zhì)缺陷裂紋的檢測(cè)時(shí),目前在國(guó)內(nèi)基本上都是針對(duì)不同的零件及材料,使用專用檢測(cè)儀進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),而且大多數(shù)還是由人工判別被測(cè)零件或材料的裂紋及缺陷。用一臺(tái)檢測(cè)儀,配備不同傳感器,實(shí)現(xiàn)不同零件及

2、材料的表面裂紋、近表面及內(nèi)部材質(zhì)缺陷裂紋的自動(dòng)判別在國(guó)內(nèi)并不多見,國(guó)外盡管有一些多能無(wú)損探傷儀,其價(jià)格昂貴。根據(jù)市場(chǎng)需要,研制了基于arm9嵌入式的多功能無(wú)損檢測(cè)儀。其功能如下:(1)以arm920t核的s3c2410x嵌入式cpu作為核心器件,可使用多種傳感器,如:超聲波傳感器、爬波探頭、電渦流傳感器、多頻陣列渦流傳感器等。通過功能按鍵用戶可選擇檢測(cè)對(duì)象和相應(yīng)的傳感器,在lcd上可對(duì)各參數(shù)標(biāo)定,其檢測(cè)的靈敏度可調(diào),以適應(yīng)于不同材質(zhì)和用途的螺栓、鋼球、薄壁管材、小直徑棒材和平面鋼材等無(wú)損檢測(cè)。(2)既可在線全動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè),又可離線檢測(cè)。當(dāng)在線檢測(cè)時(shí),若配備相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu),如料箱、機(jī)架部分、自動(dòng)進(jìn)

3、料裝置材質(zhì)檢測(cè)分選裝置等,檢測(cè)儀能自動(dòng)對(duì)檢零件進(jìn)行檢測(cè),并可對(duì)合格和不合格零件進(jìn)行分選,具有實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)功能。(3)配備了對(duì)螺栓、鋼球、薄壁管材、小直徑棒材和平面鋼材等零件或材料的表面及近表面的裂紋和缺陷無(wú)損檢測(cè)的多種先進(jìn)的算法,既能定性檢測(cè),又能定量分析,確定裂紋大小。能顯示每個(gè)被檢測(cè)零件或材料的裂紋分布及裂紋大小、深淺狀況坐標(biāo)圖,經(jīng)標(biāo)定后可以得到準(zhǔn)確的缺陷數(shù)據(jù)。(4)即可單機(jī)運(yùn)行又可與pc機(jī)組成分布式控制檢測(cè)系統(tǒng)。2檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu) 1硬件以arm920t核的s3c2410x嵌入式cpu作為核心器件,主要包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、傳感器檢測(cè)及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、lcd顯示電路、鍵盤接口電路、通信接口電路、p

4、ll精確測(cè)時(shí)電路及聲光報(bào)警電路等。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1. 1傳感器接口電路 可接超聲波傳感器、爬波探頭、電渦流傳感器、多頻陣列渦流傳感器等4種傳感器,同時(shí)設(shè)計(jì)了與這4種傳感器的信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換接口電路,下面介紹超聲波發(fā)射與接收電路。超聲波檢測(cè)是利用超聲波反射的原理檢測(cè)工件缺陷。檢測(cè)電路主要由探頭、收/發(fā)電路、a /d轉(zhuǎn)換等部分組成。其中,收/發(fā)電路完成從超聲波發(fā)射和接收、衰減、檢測(cè)、放大等一系列超聲波信號(hào)在檢測(cè)儀中的模擬部分的信號(hào)處理, 可通過s3c2410x中自帶的a /d轉(zhuǎn)換單元采集信號(hào)。超聲波傳感器接口的各部分電路如圖2所示,檢測(cè)儀采用的是單脈沖法,發(fā)射電路在發(fā)射控制信號(hào)的作用下,

5、產(chǎn)生激勵(lì)超聲波探頭的高壓脈沖信號(hào)。圖2 ( a)中,vin為s3c2410x產(chǎn)生的超聲波發(fā)射的控制信號(hào),寬度為500 ns、重復(fù)頻率為200 hz的脈沖信號(hào),經(jīng)tl、t2、驅(qū)動(dòng)后送到t4的控制極; t4漏極經(jīng)rl 接高壓vch ,當(dāng)t4截止時(shí),電容器c在400 v電源的作用下,經(jīng)r1 充電到400 v;當(dāng)t4導(dǎo)通時(shí), c經(jīng)t4、r2 放電,在r2 上產(chǎn)生激勵(lì)探頭的高壓。在圖2 ( b)為超聲波接收、放大及檢波電路,超聲波接收電路的作用是將接收換能器輸出的微弱信號(hào)vin進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形,得到滿足要求的脈沖信號(hào),最后送入s3c2410x微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,提取出所要測(cè)量的參數(shù)。在接收電

6、路中,采用了兩級(jí)放大,前級(jí)放大選用低功耗、寬帶運(yùn)放max4132。第二級(jí)使用了帶有自動(dòng)增益控制(agc)的運(yùn)算放大器ad603。前一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器。它衰減有用信號(hào)( 200 khz) 以外的其他頻率的干擾信號(hào)。通用運(yùn)放max4132可以單電源供電(217615 v) ,也可雙電源供電( 1135 3125 v) 。由于輸入和輸出端均設(shè)計(jì)為滿電源工作幅度的軌到軌(rail2to2rail)結(jié)構(gòu),使得其直流精度方面非常出色。其低功耗的設(shè)計(jì)使得每個(gè)運(yùn)放僅需要900a的工作電流。而且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),能驅(qū)動(dòng)低到250 的負(fù)載。電路中加入由t3,tr1組成的信號(hào)耦合電路及d5,d6組

7、成的檢波電路,能有效的抑制干擾, 提高信噪比。檢波后的探傷信號(hào)緩沖后輸入至s3c2410x的a /d。 lcd顯示屏的接口。如圖3所示,左邊為s3c2410x的lcd控制器引腳,右邊為lcd顯示器的引腳。 1.2通信接口電路 為了多種用途的需要,設(shè)計(jì)了多種通信接口: rs - 232接口、rs - 485接口、usb接口和can現(xiàn)場(chǎng)總線接口。圖4所示的是can現(xiàn)場(chǎng)總線接口。 1.3檢測(cè)過程 根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和技術(shù)要求選定所用傳感器, 再選定試件,通過檢測(cè)儀的鍵盤在屏幕上選定多功能檢測(cè)儀的檢測(cè)方法及解決方案, 對(duì)于沒有檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的人員可用試件校正儀器參數(shù),根據(jù)對(duì)試件表面上的人工裂紋缺陷檢測(cè)情況來(lái)標(biāo)定各

8、參數(shù)、調(diào)節(jié)靈敏度, 使其達(dá)到最佳情況。用戶可按所標(biāo)定的各參數(shù)和調(diào)節(jié)靈敏度來(lái)檢測(cè)零件或材料。用戶也可把所標(biāo)定的參數(shù)和相應(yīng)的配置存入檢測(cè)儀的參數(shù)配置腳本文檔中, 供以后使用。以采用超聲爬波探頭檢測(cè)螺栓的裂紋缺陷為例說明檢測(cè)儀的檢測(cè)原理及應(yīng)用 3 。圖5 ( a)為螺栓示意圖,檢測(cè)時(shí)將直探頭耦合面上貼一塊透聲斜楔塊,聲束通過透聲斜塊改變一定角度,因不超過第二臨界角,仍然是縱波。探頭位置應(yīng)使主聲束與齒面基本垂直,造成聲束傾斜到達(dá)螺栓側(cè)面,調(diào)整探頭位置,使主聲束指向螺栓過渡段,并覆蓋全部“掃查范圍”區(qū)段。掃查時(shí),將探頭保持相對(duì)位置沿端面移動(dòng)一周進(jìn)行探測(cè)。如聲束不能全部覆蓋危險(xiǎn)段,則探頭除做周向移動(dòng)外,還

9、應(yīng)做徑向鋸齒移動(dòng),以確保危險(xiǎn)段的全面掃查。圖5 ( a)標(biāo)明了各齒的反射波代號(hào),圖5 ( b)為齒根完好的波形,波束掃查到7個(gè)齒面, d波為中心束所達(dá)之齒面返回信號(hào),前面波形依次下降,而a、b、c波又相應(yīng)較e、f、g號(hào)波為高,此波形可借助水平展開仔細(xì)觀察。圖5 ( c)為第e齒根的波形返回信號(hào)幅值升高,因裂紋較深,使f、g號(hào)齒因聲阻斷而消失。也有因裂紋深度不足以全部阻斷聲束,則f、g齒信號(hào)下降,下降幅度與裂紋深度相關(guān)。該方法容易掌握,因改變了聲束指向,靈敏度相對(duì)提高。 波形顯示圖1.4檢測(cè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用了當(dāng)前嵌入式開發(fā)流行的三層架構(gòu)體系:(1)面向硬件的驅(qū)動(dòng)層: 主要提供硬件的啟

10、動(dòng)、關(guān)閉及調(diào)節(jié)參數(shù),如lcd驅(qū)動(dòng)程序、a /d驅(qū)動(dòng)程序、串行口驅(qū)動(dòng)程序、can總線驅(qū)動(dòng)程、a /d轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)程序等;(2)面向控制的系統(tǒng)層: 主要提供對(duì)驅(qū)動(dòng)層的功能調(diào)用并向用戶層提供接口調(diào)用;(3)用戶層:用戶可通過一系列的函數(shù)接口,包括對(duì)不同傳感器的信號(hào)采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、各種檢測(cè)的算法及解決方案模塊等,以達(dá)到對(duì)零件或材料的無(wú)損檢測(cè)。另外,檢測(cè)儀系統(tǒng)采用了基于模塊化的設(shè)計(jì)思想以利于必要時(shí)的升級(jí)與替代。基于arm9的多功能無(wú)損檢測(cè)儀采用了嵌入式linux平臺(tái)開發(fā),在對(duì)linux的移植時(shí)定制內(nèi)核、定制用戶程序、編譯linux(把應(yīng)用程序和linux內(nèi)核一起編譯) 、燒寫映象文件及運(yùn)行。由

11、于整個(gè)過程比較復(fù)雜,涉及到匯編程序、c語(yǔ)言程序、驅(qū)動(dòng)程序、程序調(diào)試等。檢測(cè)儀的用戶層主程序框圖如圖6所示。 1.5結(jié)束語(yǔ) 檢測(cè)儀可接4種不同類型的傳感器,即:超聲波傳感器、超聲爬波探頭、電渦流傳感器、多頻渦流傳感器,每種傳感器用于檢測(cè)不同的零件或材料。在使用該檢測(cè)儀時(shí),通常,超聲波傳感器用于表面下裂紋缺陷深度的定量確定;超聲爬波穿探頭適合對(duì)于表面粗糙的工件近表面缺陷或薄中的缺陷的檢驗(yàn),如鑄件、堆焊層等表面下缺陷裂紋以及螺栓根部的裂紋等。因?yàn)榕啦óa(chǎn)生的是一種壓縮波,最大幅值方向與表面成一小角度,僅在表面下傳播,表面散射相對(duì)較弱,對(duì)表面粗糙度不敏感。電渦流傳感器使用范圍廣,不需要耦合劑,適用于在高

12、溫下對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè),但只適合導(dǎo)電材料,而且干擾因素多,需要特殊的信號(hào)處理,對(duì)形狀復(fù)雜的零件檢測(cè)效率較低;陣列式傳感器不需使用機(jī)械式探頭掃描即可實(shí)現(xiàn)大面積范圍的高速測(cè)量,且能夠達(dá)到與單個(gè)傳感器相同的測(cè)量精度和分辨率,有效地提高了傳感器系統(tǒng)的測(cè)試速度、測(cè)量精度和可靠性,此外,傳感器陣列的結(jié)構(gòu)形式靈活多樣,可以非常方便地對(duì)復(fù)雜表面形狀的零件進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行證明:采用基于arm9嵌入式的多功能無(wú)損檢測(cè)儀,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔運(yùn)行平穩(wěn),測(cè)定精度高,滿足實(shí)際零件或材料的裂紋及缺陷檢測(cè)要求。二例子：西瓜成熟度無(wú)損檢測(cè)21系統(tǒng)概述西瓜成熟度檢測(cè)儀是基于stc52單片機(jī)通過駐極體話筒(mic)采集西瓜被敲擊時(shí)的音

13、波信號(hào)，并用單片機(jī)進(jìn)行音波信號(hào)的數(shù)字處理，分析出被敲擊瓜的成熟度情況，并顯示出檢測(cè)到的成熟度。該成熟度檢測(cè)儀是便攜式的，能夠適合瓜農(nóng)在采摘瓜時(shí)判斷成熟度，也適用于廣大消費(fèi)者在購(gòu)買西瓜時(shí)挑選合適成熟度的西瓜。2.2設(shè)計(jì)的流程實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)，包括敲擊裝置的機(jī)械部分設(shè)計(jì)和電子電路的設(shè)計(jì)。為了提取出準(zhǔn)確的成熟度特征值，必須對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，這個(gè)整理過程如果基于pc機(jī)則能夠節(jié)約大量的時(shí)間，也提高了特征值的準(zhǔn)確度和可信度。為此，先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為保證數(shù)據(jù)可靠性，數(shù)據(jù)采集時(shí)完全按照實(shí)際運(yùn)用時(shí)的情況設(shè)計(jì)電路。接著通過大量實(shí)驗(yàn)把不同成熟度的西瓜的敲擊音波信號(hào)采集到pc機(jī)，對(duì)

14、這些大量的不同成熟度西瓜的敲擊音波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取出能夠反映不同成熟度西瓜的音波信號(hào)特征值。最后把可行的數(shù)字信號(hào)處理過程移植到單片機(jī)中，并由單片機(jī)計(jì)算實(shí)際敲擊時(shí)得到的敲擊音波信號(hào)的實(shí)際特征值，根據(jù)這個(gè)特征值計(jì)算出實(shí)際被敲擊西瓜的成熟度，并顯示出來(lái)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖11 2.3 整體的硬件設(shè)計(jì)方案硬件電路的方案的擬定必須考慮所要用到的每種模塊，要組成一個(gè)系統(tǒng)必須考慮到方方面面，單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，進(jìn)行各運(yùn)算和控制。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)西瓜敲擊音波信號(hào)不僅與西瓜成熟度，也與西瓜的重量有密切的關(guān)系。因此要能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)西瓜的成熟度，不僅僅需要采集敲擊的音波信號(hào)而且也需要大概測(cè)量出西瓜的大小

15、，考慮到稱重法不方便，忽略西瓜成長(zhǎng)過程中密度的變化(約5)，檢測(cè)儀既要采集敲擊音波信號(hào)，也要大致測(cè)出西瓜的半徑。西瓜的敲擊音波信號(hào)由mic采集，通過放大電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換后用單片機(jī)控制存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。根據(jù)貼于簡(jiǎn)支梁上應(yīng)變片的橋路的輸出信號(hào)，能大致得出西瓜大小。采集的點(diǎn)數(shù)較多，達(dá)1024個(gè)，因此單片機(jī)片內(nèi)存儲(chǔ)器不能滿足存儲(chǔ)要求，需要對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。顯示模塊為了更好的進(jìn)行人機(jī)互換，提示操作過程并顯示測(cè)量結(jié)果。整體的硬件設(shè)計(jì)方案如圖12圖2.4 整體的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)軟件是針對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，根據(jù)操作流程，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后，采集西瓜應(yīng)變片橋路信號(hào)，并計(jì)算西瓜半徑，存于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

16、敲擊西瓜后，單片機(jī)開始采集敲擊音波信號(hào)，把信號(hào)數(shù)據(jù)存于62256或6264sram中，對(duì)采集到的敲擊音波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得出相應(yīng)的特征值。根據(jù)西瓜成熟度的特征值，結(jié)合半徑參數(shù)計(jì)算出成熟度，并顯示出來(lái)。如圖13 2.5結(jié)束語(yǔ)本章從整體上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、硬件電路的設(shè)計(jì)以及軟件的編寫給予了大致的說明，介紹了我們選用的方案，并給出了相應(yīng)的框圖。 三基于arm的嵌入式超聲無(wú)損探傷系統(tǒng)超聲技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)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(chǔ)體積太小、實(shí)時(shí)性低等缺點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，硬件和

17、軟件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；赼rm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(chǎng)可編程門陣列) 有著單片機(jī)和dsp 所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。fpga 時(shí)鐘頻率高, 內(nèi)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(qiáng)大的信號(hào)處理能力，用于超聲信號(hào)高速濾波和壓縮?；赼rm和fpga的嵌入式數(shù)字超聲探傷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速采集超聲檢測(cè)信號(hào)，擁有存儲(chǔ)大量回波圖像和數(shù)據(jù)的能力，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件

18、結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由arm中央處理器、fpga和一些外設(shè)接口組成。本系統(tǒng)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，它是專門為手提設(shè)備設(shè)計(jì)，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。fpga用于對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行處理。盡管此系統(tǒng)自帶的存儲(chǔ)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。網(wǎng)絡(luò)net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(chǔ)

19、器。通過網(wǎng)絡(luò)net，探傷數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上。linux操作系統(tǒng)存儲(chǔ)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(xiàng)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(shí)，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)，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

20、采集回波信號(hào)，超聲信號(hào)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(cè)結(jié)果在lcd屏幕上顯示。dac（distance amplitude compensation）曲線和報(bào)警閘門也用于輔助探傷。圖2（a）是我們?cè)O(shè)計(jì)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3.2 信號(hào)處理方面fpga主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和壓縮。前端回來(lái)的回波信號(hào)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(lái)消除噪聲，由公式（1）定義，x(n) 是輸入的原始信號(hào)，y(n)是處理完的信號(hào)。fir濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，所有頻率的輸入信號(hào)產(chǎn)生同樣的偏移，從而消除了相位扭曲。 (1

21、) 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(lái)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。3.3 軟件設(shè)計(jì)由于linux系統(tǒng)具有源碼開放、內(nèi)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(yīng)用。本設(shè)計(jì)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(dòng)功能等諸多方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4 內(nèi)核。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(gè)操作，事件可以在他們到達(dá)后立

22、刻得到處理。如圖3所示，本系統(tǒng)可以分為三個(gè)線程，分別為：(1)主線程 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；(2) 讀數(shù)據(jù)線程 用于讀取實(shí)時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)界面功能，在上位機(jī)上使用vc+6.0來(lái)開發(fā)并采用winsock技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。 minigui是嵌入式 linux 系統(tǒng)下一個(gè)輕量級(jí)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(diǎn)，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(xiàng)目。遠(yuǎn)

23、程監(jiān)控是指將控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在異地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。在國(guó)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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程探傷診斷和聯(lián)網(wǎng)，并具有強(qiáng)大的本地?cái)?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(cè)，因此要求探傷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，能夠真實(shí)地、完全地再現(xiàn)檢測(cè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)5。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本項(xiàng)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(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

24、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(yàn)的探傷專家可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)探傷過程，或者當(dāng)探傷環(huán)境比較惡劣或危險(xiǎn)時(shí)，探傷人員就不用親自到現(xiàn)場(chǎng)，只需在辦公室里通過網(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。3.4 結(jié)語(yǔ)利用fpga在高速信號(hào)采集及數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，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(jià)比高等諸多優(yōu)

25、點(diǎn)，在工業(yè)數(shù)字探傷儀領(lǐng)域有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(hào)處理方法在此儀器上的升級(jí)（比如說小波變換和時(shí)頻分析理論應(yīng)用于超聲信號(hào)的處理）；另一方面，由于有功能強(qiáng)大，升級(jí)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(jí)等方面都提供了極大的便利。設(shè)計(jì)的超聲探傷系統(tǒng)具有完善的軟件功能，通過tcp/ip實(shí)現(xiàn)c/s模式下的跨平臺(tái)通信，可以對(duì)超聲探傷進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。4實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)4.1實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)例子1指導(dǎo)練習(xí)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)方案，實(shí)現(xiàn)用探傷儀實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。(1) 實(shí)驗(yàn)分析 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

26、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(jiǎn)稱超聲主控計(jì)算機(jī)，也是本文主要介紹的部分。系統(tǒng)硬件的總體框圖如上圖1所示。系統(tǒng)中選用s3cz科0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(stn&tfr);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(rte);內(nèi)部集成兩路usbhost和一路usbdevice;對(duì)嵌人式linux良好的支持等。minigui則是一個(gè)基于linux、面向嵌人式系統(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(kù)文件大小為300比左右，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

27、人式limix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一3結(jié)構(gòu)與virtex-11類似，1.2v內(nèi)核，其在超高速數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在儀器性能方面，為了保證數(shù)字超聲探傷儀o.olmm的檢測(cè)精度和o一6000mm可變探測(cè)范圍，在fpga中主要進(jìn)行如下數(shù)字信號(hào)處理：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。數(shù)字濾波，程控帶通fir濾波器保證對(duì)0.smhz一巧mhz回波信號(hào)的良好數(shù)字濾波數(shù)字檢波，包括正向、負(fù)向、雙向及rf檢波.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，

28、充分利用arm+linux嵌人式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，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limix內(nèi)核(linuxz616)，系統(tǒng)在響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)功能等諸多方面都遠(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extz文件系統(tǒng)。(2) 實(shí)驗(yàn)步驟系統(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)總線寬度為犯位。當(dāng)

29、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)置為犯位、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l所示。外部地址空間分配53c2440提供8路片選，ngcs0一71，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:(l)norflash，ngcso，接的是一片smxl6位數(shù)據(jù)寬度的intelte28f128flash，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ngcsi，用于網(wǎng)絡(luò)傳輸收發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存;(3)doc，使用ngcsz，存放文件系統(tǒng)包括管理程

30、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16mx16位數(shù)據(jù)寬度的sdram構(gòu)成，兩片拼成犯位模式，共用ngcs6。共64mram，用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)緩存。待添加的隱藏文字內(nèi)容3中斷資源分配s3cz料0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dmg(x)0使用einto。fpga擴(kuò)展中斷資源為einti、eintz、eint3、eint4、eints、eint6及eint7。鍵盤用eintz，前端圖像數(shù)據(jù)更新表，外部設(shè)備總線寬度設(shè)置用eint3，回波頻率測(cè)試數(shù)據(jù)更新用eint4，系統(tǒng)關(guān)機(jī)按鍵用einti。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