（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的超声波数据采集系统.pdf

大连理工人学硕十学位论文 摘要 超声波探伤作为一种重要的无损检测技术已经在国防工业、机械制造等领域获得了 广泛应用。现有的便携式超声波探伤系统通常采用单片机或d s p 实现方案，软件设计 非常复杂，实现难度大，代码移植和重用比较困难，因此不便于系统的升级和维护。近 年来，嵌入式技术在许多领域的应用日益广泛，在超声波无损检测领域有着广阔的应用 前景。 本文提出了一种基于嵌入式技术的新型便携式、可存储的超声波探伤系统方案。该 方案以汕头超声仪器研究所的c t s 一2 2 a 超声探伤仪为基础，采用“a r m + f p g a ”硬件架 构和嵌入式l i n u x 操作系统相结合的设计思想，解决了该探伤仪只能实时显示探伤波形 而无记忆功能的缺陷。为了解决超声波探伤中的高速数据处理问题，方案采用了 s a m s u n g 公司的嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 和a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列的f p g a 作为系 统的硬件平台，其中f p g a 用来作为高速数据的缓冲，将高达3 0 m 的高速采集数据转 换成a r m 可以读取和存储的低速数据；而在a r m 端，成功地将嵌入式l i n u x 操作系统移 植到该平台上，并开发出相应的g p i o 、u s b 、l c d 等驱动程序；同时，还完成了探伤 仪的闸门产生电路，从硬件上实现了对采集数据的压缩。最后，由a r m 处理器将采集到 的数据通过u s b 存储到一个大容量硬盘中，再由上位机将采集的数据从硬盘中读出并 还原为波形信号以供分析，这样就实现了数据的存储和离线分析。 关键词：a r m ；f p g a ；嵌入式l i n u x ；超声波探伤 基丁二f p g a 的超声波数据采集系统 t h eu l t r a s o n i cd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nf p g a a b s t r a c t u l t r a s o n i ce x a m i n a t i o ni sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i ti sa p p l i e di n m a n ya r e a ss u c ha st h ei n d u s t r yo fn a t i o n a ld e f e n c ea n dm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g m o s t e x i s t i n gp o r t a b l eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e m sa d o p tm i c r o c o n t r o l l o ro rd s p i nt h i sa a s e ， s o f t w a r ed e s i g nu s u a l l yc o m p l e x a n di ti sd i m c u l tt or e u s ea n dt r a n s p l a n tc o d e ，w h i c hl e a dt o t h ei n c o n v e n i e n to fu p g r a d ea n dm a i n t e n a n c eo fs y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g yg e taw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nm a n ya r e a s ，i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h ef i e l do fu l t r a s o n i ct e c h n o l o g yo fn o n d e s t r u c t i v et e s t ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w p o r t a b l eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e m sw h i c hi n t e g r a t e s t o r a g ef u n c t i o n 1 1 1 i sp r o g r a mi m p r o v et h eu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rp r o d u c e db ys h a n t o u u l t r a s o n i ci n s t r u m e n t si n s t i t u t e t h i s p r o g r a ma d o p t st h e “a r m + f p g a ”h a r d w a r e a r c h i t e c t u r ea n dt h el i n u xo s a n di tm a k eu pf o rt h el a c ko fs t o r a g ef u n c t i o n i no r d e rt o p r o c e s sh i g h - s p e e du l t r a s o n i cs i g n a l ，t h es y s t e ms e l e c t sc y c l o n e - s e r i e sf p g aa n de m b e d d e d p r o c e s s o r $ 3c 2 4 10p r o d u c e db ya l t e r aa n ds a m s u n gr e s p e c t i v e l y t h ef o r m e ri su s e dt ob ea b u f f e rm e m o 珂，w h i c hc a nt r a n s f 0 1 t 1 1h i g h s p e e dd a t af l a wt ol o w s p e e dd a t af l a ww h i c hc a r l b er e c e i v e db ys 3 c 2 410 t h el a t t e rp r o c e s st h ed a t af r o mf p g am o d e l a n dt h el i n u xo si s t r a n s p l a n t e dt oi t t h i ss y s t e mi n c l u d e sac i r c u i t t op r o d u c es t r o b ea sw e l l i tp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nd a t ac o m p r e s s i o n a tl a s t ，t h ed a t aw a ss t o r e di n t oah i g h c a p a c i t yh a r dd i s k v i au s b s ot h a tp cc a nr e a dt h ed a t aa n dr s t o r ei tt ow a v ef o r m k e yw o r d s ：a r m ；f p g a ；e m b e d d e dl i n u x ；u l t r a s o n i ct e s t i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究5 - 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理丁大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 主叁重星 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 随着国民经济的迅速发展，无损检测作为保证高质量的重要技术，在机械制造、石 油化工、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。而在当今的无损检测中，超声波检 测技术以检测灵敏度高、方向性好、适用性广泛等优点占有极其重要的地位【l ，2 】。近年来， 伴随着计算机软硬件技术和高速数字信号处理技术的飞速发展，尤其是嵌入式系统技术 的突破，使得与无损检测领域相关的仪器设备在数据处理、检测性能和工程设计系统化 等方面有了更大的发展空间。 1 1课题背景 本课题来源于我校材料学院无损检测研究所，其目的是将超声波探伤仪的输出信号 ( 以波形形式再现于研究人员) 采集并存储，来实现波形的离线分析。在实际应用中， 多是对高温炉管的缺陷进行检测和定位。 在此之前，工作人员通过将探伤仪经一个转换电路和一个记录仪相连，用来实现对 数据的“采集”，但它只能实现对一些明显缺陷的检测，不便进行更加深入的分析。而 且记录仪和转换电路都比较笨重，携带不便，最为重要的一点是，所有数据输出到纸质 材料上，给数据的存储、携带和分析带来很大的不便。 为了解决以上问题，采用a r m + f p g a 的硬件架构并结合嵌入式l i n u x 操作系统，其 检测和存储过程如下： 首先，将探伤仪输出的模拟信号调理成a d 模块可以接收的信号，然后由a d 将其转 换成数字量。 由于超声波的频率通常在0 5 1 0 m h z ，为了保证采样信号不失真，采样频率要在 3 0 m 以上，属于高速数据采集，因此将经a d 模块转换后的数据输出到f p g a ，在其内 部实现一个异步f i f o 用来缓存数据。然后a r m 处理器通过d m a 方式从f p g a 中读 取数据，并通过u s b 转存到一个大容量硬盘，硬盘中的数据可用来供研究人员分析使 用。 1 2 超声波探伤技术简介 1 2 1超声波的基本概念 超声波是一种频率超过2 0 k h z 的特殊声波，除具有传统声波传输的基本物理特性 ( 如：反射、折射和衍射等) 外，其还具有方向性集中、穿透力强、振幅小等特点【i - 3 j 。 因而，超声波检测技术在实时控制、高精度、无损伤等方面均具有优势，广泛应用在工 基于f p g a 的超声波数据采集系统 业无损检测等领域。用于无损检测的超声波频率一般在0 5 1 0 m h z 之间，例如钢等金 属材料的常用检测频率为1 - - - 5 m h z l 3 1 。 1 2 2 超声波探伤的基本原理 超声波探伤是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材 料的组织和内部缺陷的方法【2 】。目前，广泛使用的探伤方法是脉冲反射法，该探伤方法 的基本原理是将超声波脉冲发射到被测样本中，然后接收来自样本的发射波，根据发射 波声压的不同以实现对被测材料中缺陷的定位和识别1 4 j 。在脉冲反射法中，还可细分更 多的方法，其中根据声束的传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用的波形可分 为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法；根据声耦合方式可分为直接 接触法和水浸法等等【l 】。这些方法具有各自的特点，分别用于不同材料的探伤。 1 3 便携式超声波探伤系统性 月- i 匕二丁4 日1 e 标 由于超声波检测技术的自身优点及其在国民经济领域的重要作用，因此，研制和开 发高性能的超声波探伤系统成为了无损检测领域的一个重要课题，系统的性能直接影响 着检测过程的时效性和检测结果的准确性1 4 j 。 便携式超声波探伤系统的技术性能包括仪器的电子设备性能和超声波探头性能。针 对这些性能，我国颁布了a 型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件( j b t 1 0 0 6 1 1 9 9 9 ) 、超声探伤用探头性i i i i 试方法( j b t1 0 0 6 2 1 9 9 9 ) 和a 型脉冲反射式超 声波探伤系统工作性i i i i 试方法( j b t1 0 0 6 1 1 9 9 9 ) 等标准，这些标准都对超声波探伤 系统的各项技术指标测试方法作了明确规定，主要技术指标如下所示： 工作频率：即超声波探头的频率，它在很大程度上决定了超声波探伤系统的能力。 在一般接触法探伤中，对晶体颗粒细小的材料采用2 5 5 m h z ，对晶体颗粒大的材料采 用0 5 1 m h z 。 重复频率：即超声波脉冲的发射频率。由于发射脉冲的周期必需大于超声波传播的 时间，所以重复频率与检测距离成反比，一般在5 0 3 k _ h z 之间。 频带范围：即缺陷波接收电路的通带范围。通常，频带范围越宽，对缺陷回波的失 真度就越小。该项参数取决于整个模拟电路的频率特性，如放大衰减器、集成运放、a d 转换等电路。 增益衰减和动态范围：由于回波信号的强度变化很大，通常需要8 0 1 0 0 d b 的系统 增益和衰减。动态范围指的是放大器最大不失真幅度范围，通常要大于4 0 d b 。 大连理工大学硕士学位论文 采样频率和分辨率：该项性能取决于a d 转换器的性能，这对于数字式超声波探伤 系统是一项非常关键的指标。a d 转换器的采样频率越高，缺陷回波的失真就越小，回 波的峰值不易被漏检；而采样分辨率越高，则缺陷峰值采样越精确，缺陷当量的估计就 越准确。 1 4 嵌入式系统技术 近年来，随着嵌入式系统技术的发展，基于该技术的便携式数字超声波探伤开始广 泛应用到无损探伤领域中。在此简要介绍下嵌入式系统技术。 1 4 1嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的系统，所以不同于通 用计算机系统。同样是计算机系统，嵌入式系统是针对具体应用设计的“专用系统”。 它的硬件和软件都必须高效率的设计，“量体裁衣”，去除冗余，力争在较少的资源上 实现更高的性能，与通用计算机相比，它具有以下显著特点【5 l ： ( 1 ) 是“专用”的计算机系统； ( 2 ) 运行环境差异大： ( 3 ) 比通用p c 系统资源少； ( 4 ) 功耗低、体积小、集成度高、成本低； ( 5 ) 具有系统测试和可靠性评估体系； ( 6 ) 具有较长的生命周期； ( 7 ) 具有固化在非易失性存储器中的代码； ( 8 ) 使用实时操作系统r t o s ； ( 9 ) 需要专用开发工具可方法进行设计： ( 1 0 ) 包含专用的调试电路。 1 4 2 嵌入式系统开发的基本流程 嵌入式系统开发必须将硬件、软件、人力资源等元素结合起来。任何一个嵌入式产 品都是软、硬件的结合体，是软硬件结合开发的结果，这是嵌入式系统开发的最大特点 【5 1 。在系统开发的过程中，必须始终综合考虑各个方面的因素。面向具体应用的嵌入式 开发决定了嵌入式开发的方法、流程各有不同，这里给出一般的嵌入式开发的具体流程。 系统开发的流程如图1 。l 所示。 基于f p g a 的超声波数据采集系统 耐 图1 1嵌入式系统开发流程图 f i g i 1 t h ef l o wc h a r to fe m b e d d e ds y s t e m sd e v e l o p m e n t 一4 一 大连理j = = 大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统定义与需求分析 确定系统开发最终需要达到的总目标、系统实现的可行性、系统开发所采取的策略， 估计系统完成所需的资源和成本，制定工程进度安排计划。需求分析应确定目标系统需 要具备哪些功能。它要求密切配合用户，经过充分的交流和考察，得出经过用户确认的、 明确的系统实现逻辑模型，以便使设计开发人员能够确定最终的设计目标。 ( 2 ) 系统设计方案的初步确立 初步确立的系统设计方案包括系统设计的初步说明文档、设计方案和设计描述文 档，具体包括以下文档：系统总体设计、系统功能划分与软硬件协同设计、处理器选择 与基本接口器件选择、操作系统选择和开发环境选择。 ( 3 ) 初步设计方案性价比评估与方案评审论证 在系统开始软硬件具体设计之前，需要最后确立设计方案与用户需求之间的合理 性、并对设计方案的正确性、无歧异性、安全性、可验证性、可理解性、可修改性等多 个方面进行综合评估，以确定是否进入下一步的实际实施阶段。 ( 4 ) 完善初步方案及初步方案的实施 本阶段是整个设计过程中最基本的一个环节，它决定了以后软硬件设计的方向与各 自完成的目标，通常需要反复比较和权衡利弊才能最后决定。划分的结果对软硬件的设 计工作量往往有很大的影响，特别是影响软件的设计与实现，而且对系统的性能和成本 有着较大的影响。划分完系统的软硬件结构之后，就可同时开始系统的软硬件设计和系 统方案的实施。 ( 5 ) 软硬件集成测试 将测试完成的软件系统装入制作好的硬件系统中，进行系统的综合测试，验证系统 功能能否被正确无误的实现。本阶段的工作在整个开发过程中最复杂、最费时，特别是 需要相应的辅助工具支持，才能确保系统的正常稳定的运行。 ( 6 ) 系统性能测试及可靠性测试 测试最终完成的系统性能是否满足设计任务书的各项性能指标和要求。若满足，则 可将正确无误的软件固化在目标硬件中，若不能满足，则需要回到设计的初始阶段重新 进行系统设计方案的制定。 1 5 本课题研究的内容和安排 在综合了现有便携式超声波探伤系统的特点、超声波探伤领域的需求和电子信息技 术的新变革等因素之后，本文提出一种基于嵌入式l i n u x 系统的新型便携式超声波探伤 系统。具体的研究内容包括： 基于f p g a 的超声波数据采集系统 ( 1 ) 硬件层设计：利用最新的嵌入式硬件技术，以a r m 9 为核心，同时结合f p g a ， 构建符合便携式超声波探伤实际应用的高性能硬件平台。 ( 2 ) 系统软件层设计：主要任务之一是选取合适的嵌入式操作系统和文件系统，并 向系统的硬件平台进行移植；主要任务之二是开发相关的设备驱动程序，为应用软件层 提供稳定、高效的系统硬件抽象。 根据以上研究内容，本文的结构安排如下： 第二章首先阐述了本方案的总体设计思想，给出了系统的设计方案和所要满足的设 计指标。 第三章重点是本系统的硬件设计，本章将详细阐述系统设计中的数据采集模块、 f p g a 模块和a r m 系统的硬件平台。 第四章重点介绍f p g a 功能模块的软件实现，包括f i f o 的实现，前端写f i f o 和后 端读f i f o 等内容，同时还包括仿真结果。 第五章重点介绍方案中系统软件层的具体实现，主要包括嵌入式l i n u x 操作系统的 移植，根文件系统的挂载和网络文件系统n f s 的实现。 大连理工大学硕士学位论文 2 数据采集系统的总体设计方案 本课题将最新嵌入式系统技术应用到便携式超声波探伤系统的设计中，融合了电子 技术、信息技术和软件技术等，因此其构成是比较复杂的。本章主要介绍便携式超声波 探伤系统的总体方案设计，具体包括了系统的基本工作原理、功能和性能指标需求、总 体设计思想设计框架以及系统关键部分的解决方案。 2 1 系统的工作原理和- 陛能指标 便携式超声波探伤系统采用了脉冲透射法的基本原理，工作流程如下：首先，探伤 仪通过发送探头发送脉冲超声波至被测材料中，超声波经被测材料后被接收探头接收， 此后，透射波信号将经过一系列模拟信号处理模块进行波形调理( 这些功能在探伤仪内 实现) ；然后，经调理的透射波模拟信号经闸门选通后由a d 转换器转换为高速数字信 号流，这里的闸门信号用来控制a d 的采样，闸门之外的信号不予采集，这样就实现了 数据的压缩。高速数据流经过a d 模块处理后存储到f p g a 模块，f p g a 模块的作用是 对a d 采样的数据进行缓存，以便a r m 处理器可以按照自己的速度读取数据；换句话 说，f p g a 模块就是将高速数据流转换成低速数据流。最后，负责后续波形数据处理的 嵌入式处理器将此透射波信号的数据流读取，并最终存储到大容量硬盘中。 在实际应用中，本系统主要是针对高温炉管探伤，以水为耦合剂双探头分别发射和 接收。系统的技术参数和性能指标如下【7 】： ( 1 ) 探头工作频率范围：o 5 1 0 m h z ； ( 2 ) 发射脉冲重复频率：5 0 0 h z 、2 5 0 h z 、1 2 5 h z 可选； ( 3 ) 测量深度范围( 管壁厚度) ：1 0 2 5 0 m m 。 2 2 系统的总体设计思想和设计框架 2 2 1系统的总体设计思想 针对上述便携式超声波探伤系统的性能指标和功能要求进行分析后归纳出了系统 的总体设计思想： 首先，本方案由于需要经常进行户外测试，是一套便携式系统，因此，对系统的体 积、功耗方面有着严格要求，采用高性能的嵌入式系统设计将是实现上述指标要求的最 佳解决方案。 其次，为了便于今后系统的二次开发，方案对于可升级和可维护性方面提出了较高 要求，并作为了系统的首要指标。因此采用模块化、层次化的设计思想是本系统的主导 基于f p g a 的超声波数据采集系统 思想，从目前的嵌入式技术发展来看，采用带嵌入式操作系统的设计方案将有效解决系 统在升级和维护时可能遇到的问题。嵌入式操作系统及其设备驱动程序则为本系统的其 他软件部分屏蔽了底层硬件平台的差异，合理地将硬件平台设计和应用软件设计分离开 来，同时嵌入式操作系统还能为本方案提供系统级的软件资源管理功能，方便了软件系 统的设计n 接着，由于超声波探伤仪以至少2 m s 的重复频率发送脉冲波，这对于采用了3 0 m h z 、 8 b i t 高速a d 的系统而言，意味着每秒要处理高达2 4 0 m b i t 的数据量；与此同时，整套 系统还需要对l c d 、u s b 等外围硬件设备以及嵌入式操作系统等软件有着完善的支持， 就目前嵌入式处理器的发展情况而言，任何单一的嵌入式处理器都无法妥善处理这些性 能需求。因此，方案在综合了f p g a 在实时专用数据处理上的优势以及a r m 嵌入式处 理器在外围设备和软件支持上的特色后，决定采用f p g a + a r m 的联合设计方案，一 方面既满足了超声波探伤系统对于高速数据流的实时处理要求，又解决了系统外围设备 控制和嵌入式操作系统支持的需求。 最后，由于a r m 处理器的存储空间极为有限，它的地址范围最多4 g ，远远不能满 足存储需要，而且也不便于p c 机进行读取，因此，采用大容量硬盘来存储采到的数据， 即由a r m 通过u s b 将存放于s d r a m 的数据直接存到硬盘中，以实现数据的长期存储 和离线分析。 2 2 2 系统的总体设计框架 综合系统的总体设计思想，本方案的最大特点就是采用了f p g a + a r m 的联合处 理结构，并且通过嵌入式操作系统的引入将系统整体的软硬件设计进行了明确的划分。 根据这种设计结构，本方案的便携式超声波探伤系统总体设计框架从下至上分为了以下 三个部分：底层硬件平台、系统软件层和应用软件层，如图2 1 所示。 2 3 系统关键部分的解决方案 高速数据采集的全过程主要包括：数据采样和高速数据流处理两大部分。其中a d 采样速度和采样精度对该超声波数据采集系统的性能影响至关重要。通常来讲，对于一 个1 0 m h z 工作频率的探头而言，至少要提供6 0 8 0 m h z 的采样速率。但是信号采自探 伤仪，在其内部已经对高频的信号进行了相应的处理，在探伤仪的示波管之前取出要采 集的信号，经测试，对于一个5 m h z 的标准探头，其周期在1 - 2 u s ，我 们这旱选取3 0 m h z 的采样速率，足以保证采到的数据不会失真。 由于在本便携式超声波探伤系统的高速数据解决方案中，采用了高速高分辨率的 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 1系统的总体设计框架图 f i g 2 1 t h ed i a g r a mo fo v e r a l ld e s i g n a d 变换器a d s 8 3 0 e ，经过模数转换后的数据流高达2 4 0 m b i t s ( 3 0 m h z x 8 b i t = 2 4 0 m b i t s s ) ，因此如何处理a d 采样后的高速数据流成为了硬件系统 部分设计的关键之一。对于该问题，多采用非均匀实时压缩技术对数据进行压缩，这种 技术的核心思想是利用大规模可编程逻辑器件所提供的高速数据处理能力，根据压缩算 基于f p g a 的超声波数据采集系统 法，采用硬件压缩的方法，按所需的非均匀压缩比对高速a d 芯片采样后得到的数据进 行实时压缩，从而大幅度降低了后续波形的实际处理量。但根据所面对的实际问题，未 采用该方案，而是用硬件实现了一个选通电路，用来控制a d 的采样，实现了在正确的 时间采集有用的数据，并将采集到的数据存入一个用f p g a 实现的异步f i f o ，然后a r m 以d m a 方式从f i f o 中按照d m a 的时序读取数据。采用该方案，本系统成功将a d 变换后的高速数据流从2 4 0 m b i t s 降低到了2 4 m b i t s ，这样一来，现有的嵌入式处理器 完全可以胜任对后续波形的再处理工作。 2 4 本章小结 本章通过对便携式超声波探伤系统的基本工作原理进行分析，得出了系统的性能指 标和功能需求，进而提出了系统的总体设计思想和设计框架，并对系统中的关键部分所 采用的解决方案进行了阐述。 通过这一系列的方案设计，所设计的便携式超声波探伤系统实现了对超声波数据的 采集和存储，同时为嵌入式系统在超超声波探伤领域提供了一种解决方案，它既减轻了 软件设计中的复杂度，提高了系统的开发效率，同时还为今后的系统维护和功能扩展留 下了充足的空间。 大连理f 大学硕士学位论文 3 系统硬件设计 3 1 硬件系统总体设计 根据系统总体设计框架中关于硬件平台的设计，该便携式超声波探伤系统的硬件结 构框图如图3 1 所示。 触摸屏l c d 1r 一弋ol 7 笑i 模调 八 ：u s b h o s t 拟理 转八八 a r m 介 信电 v 换w f p g a 模块 、u s b d e v i c i 号路 电w 系统 n 被测物体 路 刀 ： u a r t 、 厂卜 闸门信号a 发耵脉冲 探伤仪 电路 v 图3 1超声波探伤系统的硬件结构框图 f i g 3 1 h a r d w a r ed i a g r a mo fs y s t e m 从图中可以看出，该探伤系统主要包括模拟信号调理电路、a d 转换电路、闸门信 号电路、f p g a 模块和a r m 系统。其中模拟信号调理电路将经被测物体后的透射波隹 号调理成a d 芯片可以接受的信号，a d 转换电路将调理好的接收脉冲信号转换成数寄 信号，提供给f p g a 系统；f p g a 系统负责将a d 输出的高速数据流转换为适合a r l v 处理的相对低速的数据流，这个过程中，f p g a 系统接收来自闸门产生电路的信号，爿 将这个闸门信号反馈到a d 转换电路，以控制a d 的采样：这里的闸门信号由发射朋 冲触发，这就保证了每出现一个需要采集的信号，都有一个闸门信号与之对应，闸门哇 路还要将闸门信号反馈到探伤仪中，以便于通过调整闸门宽度和平移闸门来选通闸门信 号；最后，a r m 系统将从f p g a 系统中读取数据并将其导入大容量硬盘中。 3 2 闸门信号电路 3 2 1 闸门信号的工作原理 基于f p g a 的超声波数据采集系统 顾名思义，闸门产生电路起到的就是一个闸门作用，用来控制数据流的通断与否。 为了说明闸门产生电路的作用与原理，先来看一下探伤仪的工作过程：首先，探伤仪以 重复频率向探头不断的发射触发脉冲，探头将电能信号转换成超声波信号并在被测物体 中传播，然后由接收探头接收到这个脉冲波并将其转换为一定频率的电能信号，该电能 信号被反馈到探伤仪，探伤仪将其放大、调理，最后由示波管予以显示。 值得注意的是，这里得到的一定频率的电能信号取决于探头的型号( 该频率为由型 号所决定的探头的工作频率) ，而重复频率由探伤仪根据被测物体的厚度进行设定。由 于探头的工作频率远大于重复频率，相应的工作周期也就远小于重复周期，换句话说， 在整个重复周期内，只有一小部分的数据是有用的，闸门信号的作用就是将这一小部分 选出来，使数据流在这个较短的时间内进行采集和传输，这样就避免了采集对研究人员 毫无意义的数据，同时a r m 可以以相对较慢的速度从f p g a 系统中读取数据，理论上 来讲，只要它可以在一个重复周期内读完一个闸门宽度内所通过的数据即可。闸门信号 在数据采集过程中的作用如图3 2 所示。 一 i闸门信号i 图3 2 闸门信号工作原理图 f i g 3 2w o r k i n gp r i c i p l eo f s t r o b e 对于c t s 2 2 a 型探伤仪而言，其重复频率最大为5 0 0 h z ，而闸门信号最大可设为 2 0 1 上s ，也就是说这里的闸门信号至少可以将数据量压缩为原来的t 1 0 0 ( 2 m s 2 0 p s ) 。 大连理工大学硕士学位论文 3 2 2 闸门信号产生电路 产生闸门信号的硬件电路如图3 3 所示。 触发 ? 一一一一一一一7 一一一寸e e 一! 脉冲一1 一j r 占0 4 n ! u 广3 _ 、a c 1 上c 1 u 吲，l j in r 7 i , q j r 2i - 7 划尸- - u 1 一一艮。 r 9 的作用j 嗲呲j3 1 1 讯譬，。 d 剐 j 的作用是平移闸门 l 了 7 一一一一1 一一一一一一一一一一t 一-一一一一一一一一一一i 7 i u 3 b c 3 ： i l j | l 唧 一 - _ 喜 a 4 - y t m - 一ll 信号 下 一 图3 3闸门电路原理图 图中虚线框内是一个单稳态触发器，其工作流程如下：的l 脚为高电平时，整 个电路处于稳态， ， 7 = o ，8 = 0 。当发射脉冲到来时，u 3 的l 脚得到一 个负脉冲，此时v o l 由低变高，电容电压不能突变，要有一个放电的过程，首先三极管 导通，相应的变为高电平，v 0 2 变为低电平，在v r 7 下降到三极管导通电压前，v 0 2 将一直保持为低电平。这样 就得到了一个低电平方波( 当v 0 2 由低变高后，该单稳 态触发器又回到稳态，等待下一个发射脉冲的到来) 。相应的 的脚得到一个高 电平，由于电容的存在而不能突变，c 2 充电，当 变高时，c 2 开始放电，由于 已回到高电平，因此从变高开始，可以得到一个高电平v o 旷1 ，直到c 2 放电 至的电压低于门电路阀值电压。整个闸门电路的工作时序图如图 所示。 从图中可以看出，通过调节r 7 的值，就可以实现闸门信号的平移( 相对于发射脉 基于f p g a 的超声波数据采集系统 冲) ，而c 2 的放电速度可以由r 9 调节，即v 0 3 的下降速度可通过r 9 来调节，从而实 现闸门宽度的调节。这样就可以方便的选通要采集的脉冲信号。 发射脉冲 ll _ - _ - _ _ 一- _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ - i 厂一 v 。，厂 v r 7 广 j 。1 一 v 0 2 厂一 v 0 3 li 二v o u t 。一- 。一 电路图中的c 6 起到向探伤仪反馈闸门信号的作用，采集信号采自探伤仪的视放板， 当闸门信号开始( u 3 的6 脚由高变低) 和结束( u 3 的6 脚由低变高) 的瞬间，电容c 6 将分别放电和充电，从而产生两个脉冲信号，这两个脉冲信号将显示在探伤仪的示波管 上。当调整r 7 和r 9 时，两个脉冲信号会在示波管上移动，移动闸门使之“套住”要采 集的信号，这样就实现了对采集信号的选通。 最后还要将闸门信号传递给f p g a 模块，由于由于f p g a 模块采用3 3 v 的l v t t l 电 平标准，而闸门信号是t t l 电平，因此用闸门信号通过一个三极管来产生一个3 3 v 的 方波，供f p g a 模块使用。 3 3 采集信号调理和a d 转换电路 a d 芯片采用了t i 公司的a d s 8 3 0 e ，该芯片信噪比高、功耗低、最高采样频率达 6 0 m h z 。a d s 8 3 0 e 的管脚图如3 5 所示。 由于a d s 8 3 0 e 的所有地在芯片内部都是连在一起的，可以看作是一个纯粹的模拟 器件，因此1 脚和1 8 脚均直接与模拟地相连；其工作电压为+ 5 v ，而输出接口的电压可 调，可以方便的与f p g a 配合使用【9 l 。b i t l 到b b i t 8 为模拟转换后的8 位输出数据；c l k 为转换时钟输入端；+ v s 为电源端，接+ 5 v 电压；i n 和雨分别是模拟输入和补偿模拟输 大连理f 大学硕士学位论文 入端；r s e l 为输入电压范围选择端，接高电平为2 v ，低电平为1 v ：1 2 管脚为参考电 压选择端，接低电平时采用内部参考电压，反之选择外部参考电压；r e f b 和r e f t 分 别为最小基准电压和最大基准电压，当r s e l 选择外部参考电压时，需要外接参考电压， g n d 黜1 m s b b i t 2 8 垤3 瞅4 商l5 b i 耋6 b i 毫7 b 社8 ( l s b ： c l k 图3 5a d s 8 3 0 e 的管脚图 f i g 3 5 p i nc o n f i g u r a t i o no f a d s 8 3 0 e 选择内部参考电压时，则分别输出1 5 v 和3 5 v 的电压：c m 端的电压输出为 ( r e f t + r e f b ) 2 ，在应用中常用作输入信号的偏置电压：最后是v d r v 管脚，该管脚的 值决定了a d 转换后的数据以何种电平标准的方式输出，在系统中，由于f p g a 模块是 3 3 v 的l v t t l 电平标准，因此该管脚接为3 3 v 。 a d 采集模块的电路图如图3 6 所示，图中，a d $ 8 3 0 e 选用内部参考电压，输入电 压范围为1 5 v 3 5 v ，i n p u t 是要采集的脉冲信号，它是一个0 - 2 v 的脉冲。虚线框内是 一个射极跟随器，它的作用是将输入信号调理成1 5 v 3 5 v 的电压供a d 芯片采集数据。 j p 2 用来和f p g a 模块直接相连，也就是说a d s 8 3 0 的8 b i t 的输出直接进入f p g a ，同 时由f p g a 为a d 芯片提供3 0 m h z 的时钟信号。f p g at r i g 信号来自闸门电路。 3 4f p g a 模块 本探伤系统的主要应用对象为高温炉管的检测，所用探头的工作频率为l 2 5 m h z ， 为了保证缺陷峰值的采样，系统采用了3 0 m h z 、8 b i t 的高速a d 对模拟部分输入的回 波信号进行采样。如果直接对如此之高的数据流进行直接分析和处理，就a r m 处理器 删 岷湘 附雨 诩 昕 嗍一一 眦 基于f p g a 的超声波数据采集系统 而言这种实现方式有较大难度。基于以上考虑，本方案为了将a d 采样后的高速数据流 用闸门信号选通后，通过f p g a 内部的f i f o 进行缓存，然后以相对低速的数据流交由 a r m 进行处理。 图3 6 采集信号调理和a d 转换电路 f i g 3 6 t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 因为在超声波探伤的探伤周期( 至少为2 m s ) 中，用户感兴趣的只是集中在有限时 间段内的回波信号峰值和宽度，该方案通过一个闸门信号将用户感兴趣的时间段的信号 选出来进行数据采集，这样既降低了系统中透射波数据的存储量和处理量，又使得对超 声波缺陷的分析更有针对性。因此，本系统方案在具体的实现中采用了f p g a 作为该算 法处理的硬件处理平台。 f p g a 在探伤系统中有以下几个作用： ( 1 ) 为a d 芯片提供3 0 m h z 的时钟； ( 2 ) 由于a d s 8 3 0 e 没有使能管脚，所以将闸门信号引入f p g a 系统中，用它来控 制a d 芯片的时钟信号，以实现对有用数据的采集； ( 3 ) 将高速数据流缓存入f i f o ，然后由a r m 以低速数据流将缓存的数据从中读出。 在考虑了性能、功耗等指标后，本系统在f p g a 的实现方案中采用了a l t e r a 公司的 c y c l o n e 系列f p g a e p l c 6 q 2 4 0 c 8 ，该款芯片资源特性如表4 1 所剥1 0 j 。 大连理工大学硕士学位论文 表4 1 e p ic 6 q 2 4 0 c 8 资源特性 t a b 4 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e s o u r c e so fe pic 6 q 2 4 0 c 8 3 5 a r m 系统 删( a d v a n c e d 刚s cm a c h i n e s ) 处理器是由只设计内核的英国a r m 公司研发出 来的一套处理器体系。a r m 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量的高性能、 廉价低能耗的r i s c 处理器，开发了许多相关技术和软件。a r m 将其技术授权给世界上 许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相 关技术及服务。目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议， 其中包括i n t e l 、i b m 、三星电子、l g 半导体、n e c 、s o n y 、飞利浦和国民半导体等许 多这样的大公司i l 。正是因为众多厂商千变万化的内部功能配置组合，使得采用a r m 内核技术的嵌入式处理器种类数量非常庞大，加之内核技术版本的不断升级，因此给开 发人员进行芯片选型带来了一定的模糊。为此在确定系统所选用的a r m 芯片时，对其 做一些对比研究是十分必要的： ( 1 ) a r m 微处理器内核的选择：a r m 微处理器包含一系列的内核版本，以适应不 同的应用领域。其中，对于具备m m u ( 内存管理单元) 功能的处理器，系统内存被分 为了物理内存和虚拟内存两种，由m m u 根据页表把虚拟内存地址转换对应的物理内存 地址。a r m 7 2 0 t 及其以上版本的a r m 是带有m m u 功能的，具备这种技术的系统可 以提供强大的内存管理功能。如果使用w i n d o w sc e 或标准l i n u x 等操作系统，就要选 择a r m 7 2 0 t 以上的带有m m u 功能的a r m 晶片。a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能，而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准的l i n u x 操作系统。由于方案中采用了标准的l i n u x 操作系统，因此要选择具备m m u 功能的 a i m 处理器。 ( 2 ) 芯片的工作频率：a r m 芯片的工作频率直接决定了系统的数据处理能力。 a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为o 9 m i p s 删h z ，常见的a r m 7 晶片系统主时钟 为2 0 1 3 3 m h z 。a r m 9 系列处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 系 列微处理器系统主时钟为1 0 0 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可达7 0 0 m h z 。由于在方案中引入 了嵌入式操作系统，使得系统本身就有一定的负荷，与此同时，还要处理f p g a 系统中 提供的数据流，工作频率太低的话无法满足系统要求，因此要采用较高工作频率的a r m 处理器。 基于f p g a 的超声波数据采集系统 ( 3 ) 对外围设备接口的支持：根据不同的应用领域，每款a r m 处理器芯片除具备 基本的a r m 微处理器内核外还集成了各种不同的功能模块，称之为片内外围设备接口。 如l c d 控制器、u s b 接口、s p i 接口、i i s 接口、r t c 功能、u a r t 、a d c 和d a c 等。 在所设计的超声波探伤系统中，a r m 处理器需与多种外部设备进行协调工作，包括u s b 设备、l c d 、u a r t 以及前面提到的f p g a 系统，因此在芯片选型时还需考虑其所具备 的外围接口电路支持能力，尽可能采用片内外围设备接口可以减轻硬件设计时的复杂 度，从而提高系统的利用率和可靠性。 综合以上情况，在方案中选用了基于a r m