（测试计量技术及仪器专业论文）超声波探伤信号数据处理技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 超声波探伤广泛应用于无损探伤领域，用于检测物体的内部缺陷。目前国内外已经 有多种型号的模拟和数字探伤仪，广泛应用于各个领域。它们在工业无损探伤领域发挥 着重要的作用。随着计算机的广泛应用，使得计算机为探伤仪分担了许多重任，计算机 在超声探伤领域中的应用可以减小仪器的体积，降低仪器的成本，使仪器向更便携的方 向发展。实现计算机与仪器的连接有多种方式，而目前流行的u s b 接口是一种简便有效 的连接方式，本文介绍的超声波探伤高速采集卡自带u s b 接口。超声波探伤设备可以通 过采集卡与主机进行通信。 采集卡以d s p 为核心器件，高速数字信号处理器可以在采集超声信号的同时对信号 进行预处理，减少传送的数据量，采集卡通过d s p 自带的u s b 接口控制器与主机通信。主 机通过u s b 接口发送控制命令，控制采集卡采集数据。本文介绍了d s p 的数据采集控制程 序设计，u s b 接口的设备端软件设计，给出了采集卡u s b 接口的详细开发过程和u s b 控制 器的程序流程图，以及主机的设备驱动程序开发过程及关键的a p i 函数调用程序，并介 绍了主机用户应用界面的设计过程。 采集卡以8 0 m b p s 的采样速率采集超声波信号，d s p 将采集的信号进行预处理后存入 存储区，主机通过u s b 接口发送传送数据命令后，d s p 将数据通过u s b 接口以1 2 m b p s 的速 率传送给主机进行显示。实验表明通过高速数字信号处理技术及通用串行接口技术的结 合应用，可以把超声波数据采集卡设计成基于计算机控制和显示的仪器。既提高了仪器 的性能，降低了成本，又方便了使用，迎合了计算机外围接口设备的发展趋势。 关键词：d s p , u s b ，w d m ，超声波 超声波探伤信号数据处理技术的研究 t h er e s e a r c ho f u l t r a s o n i cd e t e c t i o ns i g n a ld i s p o s a lt e c h n o l o g y a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o nt e c h n i q u ei su s e db r o a d l yi nt h ef i e l do f n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n ym o d e l so f a n a l o g u ea n dd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o ri nd o m e s t i c a n da b o a r d t h e ya r cv e r yi m p o r t a n ti nt h ef i e l do fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , i ts h a r e sm a n yh e a v yr o l e so ff l a wd e v i c e i tm a k en e wr o a dt o u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri nt h ef i e l do fu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t i o nc a nr e d u c et h ec u b a g ea n dc o s to ft h ee q u i p m e n t , a n dm a k et h ee q u i p m e n tm u c h e a s i l yt oc a r r y i n g t h e r ea r em a n yw a y st or e a l i z et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n d t h ed e v i c e t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r di n t r o d u c e di n t h i sa r t i c l eh a sau s bi n t e r f a c e t h e u l t r a s o n i cd e v i c ec a nc o m m u n i c a t ew i mc o m p u t e rt h r o u g hu s bi n t e r f a c e t h ec o r ed e v i c ei no u rc a r dw a sd s p ，t h eh i 曲s p e e dd s pc a na c q u i r ed a t aa n dd e a l 、i t l l d a t as i m u l t a n e o u s l y r e d u c i n gt h eq u a n t i t yo fd a t a t h ea c q u i s i t i o nc a r dc o m m u n i c a t e sw i t l l t h ec o m p u t e rw i t hi t so w nu si n t e r f a c e t h ec o m p u t e rc a nc o n t r o lt h ec a r da c q u k ed a t a t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e s i g no f t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lp r o g r a m ，t h es l a v es o f t w a r eo f t h eu s b ，p r o v i d e dp a r t i c u l a rd e s i g np r o c e s so f t h eu s bi n t e r f a c ea n dt h ep r o g r a mf l o wc h a r t o ft h eu s bc o n t r o l l e r , i ta l s oi n t r o d u c e dt h ed r i v ep r o g r a mo ft h ec o m p u t e r , t h ec r i t i c a la p i f u n c t i o n ，a n dt h ed e s i g np r o c e s so f t h eu s e r si n t e r f a c e t h ea c q u i s i t i o nc a r dc a na c q u i r e du l t r a s o n i cs i g u a li n8 0 m b p s ，t h ea c q u i r e dd a t aw a s s t o r a g ei n t ot h em e m o r y , d s pt m u s m i tt h ed a t at oc o m p u t e rw i t h1 2 m b i t st od i s p l a ya f t e rt h e c o m p u t e rs e n dt r a n s m i to r d e rt ot h ec a r d w i t ht h ec o m b i n eo f t h eh i i g hs p e e d d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d t h eu s b t e c h n o l o g y ，w ec a nd e s i g nt h eu l t r a s o n i cc a r db a s e do n c o m p u t e rc o n t r o la n dd i s p l a y i tn o to n l yi m p r o v e dt h ec a p a b i l i t y , b u ta l s or e d u c e dt h ec o s t a n dm a d ei t sm o r ee a s yt ou s e i tc a t e r e df o rt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fp e r i p h e r n io f c o m p u t e r k e yw o r d s ：d s p , u s b ，w d m ，u l t r a s o n i c i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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，也不包含为获得沈阳工 业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：翌么塑日期：2 掣：主：! 笸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：坐丑型圭 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 随着无损检测技术的发展，超声波检测以其不介入被测工件，不影响设备正常工作 的优点，广泛应用于超声波探伤、超声波测量等各个领域。但超声波信号的频率较高。 根据s h a n n o n 抽样定理，在实际工业控制中为了恢复超声波波形以精确计算发射波和回 波之间的时间差，对超声波信号的采样速率不能低于超声波信号频率的3 4 倍。对于如 此高的采样频率由普通的微处理器来完成数据的存储，信号的检测及控制已变得十分困 难【1 1 。 数字化超声波探伤设备是计算机技术和超声技术相结合的产物。它承袭了传统超声 波探伤设备的基本模式，即脉冲反射法，并对回波信号进行a d 采样，使用单片机实现 数据的采集、显示、存储等功能。从 d 的采样位置分类，数字化超声波探伤设备又可 分为模拟数字混合式和全数字式。前者的a d 采样是在模拟检波电路之后，由于检波后 的波形是缺陷回波的包络，采样频率只需探头工作频率的2 5 倍：后者的a d 是对放大后 的射频信号直接采样，为确保采到峰值，采样频率要高得多。两种探伤设备都具有数据 存储和运算功能，所以可以实现探伤过程中缺陷的自动判别、定位、当量计算、存储和 打印探伤报告。这不但解决了缺陷的记录问题，而且减少了人为误差，提高了探伤结果 的可信性。但是对自动化探伤而言，由于通道数目多，控制复杂，用数字的方式进行数 据处理和通道问协调控制有很大的难度。尽管国外己经有全数字式的产品，但价格极其 昂贵，所以国内目前仍然采用多个模拟通道组合起来使用 2 1 近年来出现的虚拟式超声波探伤仪，是数字化超声波探伤设备向便携式手动探伤设 备发展的产物。这类探伤仪主要采用p c 机配合超声波数据采集卡。缺陷回波的采样数据 通过i s a 或p c i 总线进入计算机，利用计算机强大的运算能力和丰富的软、硬件资源，实 现缺陷的定位识别、显示、通道控制、存储和打印等功能，不但提高了仪器的性价比， 而且提高了仪器的智能化程度，使得手动探伤更加简便和灵活。国外生产类似产品和研 究的公司有美国的泛美( p a n a m e t r i c s ) 公司、m e t e c 公司德国的k k 公司、法国的 s o f r a t e s t 公司和加拿大的r dt e c h 公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、 超声波探伤信号数据处理技术的研究 分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平 3 1 。 国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外已把i o o m h z 以上采样频率的 高速a d 技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析 和成像处理已实现a ，b ，c 扫描。虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术应 用上还是存在一定的差距。 因此，开展该项技术的研究，如何把高速a d 技术、大容量缓冲技术以及信号的处 理、分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一项具 有现实意义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技 术步伐，使我国超声波检测水平上一个台阶。 1 2 超声波探伤的优点 在各种检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表面缺陷， 对试件内部的裂纹不敏感。射线检测法虽然可以用于检测内部缺陷，但是它对裂纹等面 形缺陷检测灵敏度低，另外由于其检测速度慢，并且需要专门的防护设备，因而大大限 制了该方法的应用范围。超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应 性。它不仅对平面缺陷很敏感，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对 人体无害，并且检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛【4 】。 超声检测方法除了具有设备简单，使用方便和安全性好，检测范围广等根本性的优 点外，超声检测产生的时域波形信号形式，使得计算机信号处理、模式识别和人工智能 等技术能够方便的用于检测过程。计算机在超声检测中的应用，也使得超声检测的可靠 性越来越高，目前已经超过了射线检测，成为最普遍应用的无损检测方法嘲。 超声波波长短，由此决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于探伤领域， 超声波方向性好，由于超声波频率高，波长短，在无损探伤中使用的超声波波长通常为 毫米数量级，使超声波有良好的方向性，可以定向发射；超声波能量高，超声波探伤时 频率远高于声波，而能量( 声强) 是与频率的平方成正比的，因此超声波的能量远大于 声波；超声波能在界面上产生反射，折射和波形转换；超声波穿透能力强，超声波在大 多数介质中传播时，传播能量损耗小，传播距离大，穿透能力强，这些优点都是其它探 沈阳工业大学硕士学位论文 伤手段无法比拟的。 1 3 论文的主要研究内容及目的 本文主要内容是对基于d s p 的超声波数据采集系统的设计和实现，文中介绍了d s p 技 术和u s b 接口的原理知识，提出了基于d s p 的超声波探伤数据采集处理系统的设计方案， 根据系统设计要求完成了部分硬件和软件设计及电路调试。设计完成了u s b 接口的设备 端驱动，主机驱动及上位机用户应用程序的设计，并完成了采集卡上数据的采集和存储。 本文着重处理以下两个问题： ( 1 ) 设计数据采集卡，将具有高速运算能力的d s p 芯片应用到超声波采集中，利用 高速a d 采集超声波信号。 ( 2 ) 编写u s b 接口驱动程序，设计主机用户应用界面程序，将采集的信号通过u s b 接口传送给主机保存显示。 超声波探伤信号数据处理技术的研究 2 超声波探伤概述 2 1 超声波探伤的原理 当被检测的均匀材料中存在缺陷时，将造成材料的不连续性。这种不连续性往往伴 随声阻抗的突变，根据超声传播理论可知，超声波在两个不同声阻抗的交界面上将发生 反射，反射能量的大小取决于交界面两边材料声阻抗的大小与交界面的取向和尺寸嘲。 脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理而设计的。超声波探伤的基本原理如图2 1 所示。 具体的原理过程是这样的，在探伤时，探头放置在探测面上，电脉冲激励探头产生 的超声脉冲通过耦合剂进入工件，在上表面反射回头波( t ) ，如果工件内部无缺陷， 它可一直传播到工件的底面，形成底波( b ) 。如果底面光滑且平行于探测面，按照反 射原理，超声脉冲被底面反射而返回探头。探头又将返回的声脉冲变成电脉冲，电脉冲 可以经过一系列放大处理电路，通过数据采集卡将数据传送给主机然后显示出来；如果 工件中有缺陷，超声脉冲的一部分被缺陷反射回探头，形成缺陷波( f ) 其余部分到达 底面后再返回探头。 图2 1 超声波探伤的基本原理 f i g 2 1u l t r a s o n i cd e t e c t i o np r i n c i p l e 对于测量与显示一体的a 型脉冲发射式超声波探伤仪，荧光屏的时基线和激励脉冲 是同时被触发的，即处于同步工作状态。当探头被激励而向工件发射超声波时，激励脉 沈阳工业大学硕士学位论文 冲也被馈至接收回路，同时时基电路也开始扫描，因而，在时基线的始端出现一个很强 的脉冲波形，称之为“头波”，用“t ”表示。当探头接收到底面反射回来的声波时， 时基线上右边相应呈现一个表示底面反射脉冲的波形，称之为“底波”，用“b ”表示。 时基线从t 扫描到b 所需的时间正好等于超声脉冲从探头到底面又返回探头的传播时间。 因此可以说，从t 到b 之间的距离代表了工件的厚度。如果工件中有缺陷，探头接收到缺 陷反射回的声波时，时基线上相应呈现出一个代表缺陷的脉冲波形，称之为“缺陷波” 或“伤波”，用“f ”表示从t 扫描到f 所需的时间正好等于超声脉冲从探头到缺陷又 返回探头的传播时间。显然，缺陷波所经时间短于底波所经时间，故缺陷波f 应处于t 与 b 之间。如果探伤仪的时基线性很好，就可以利用t ，f ，b 之间的距离关系，对缺陷定位。 缺陷波形如图2 2 所示。 圆 图2 2 超声波缺陷信号 f i g 2 2u l t r a s o n i cd e f e c ts i g r l a l 2 2d s p 和u 8 8 技术在超声波探伤中的应用前景 随着超声无损探伤技术的飞速发展，传统的超声波探伤装置在性能方面，己不能满 足无损探伤发展的要求。特别是在装置的前置采样单元中，由于受到传统设备作为运算 和控制核心的单片机，在数据处理能力方面的限制，其数据采样频率和精度无法大幅度 提高，装置的启动算法以及采样数据实时处理方面，也无法进一步运用各种新型的数字 信号处理方法，来全面的提高和完善装置的性能。而数字信号处理芯片( d s p ) ，作为 一种为达到快速数学运算而特殊设计的新型微处理器，具有相当强大的数据处理能力。 它以其快速的指令周期、哈佛结构、流水操作、专用的乘法器、特殊的d s p 指令，以及 集成电路上的优化设计，使之在相同的主频下，甚至要比目前最先进的个人计算机快1 0 倍5 0 倍。另外，d s p 可以不再单纯用作数据采集，它还同时能肩负以往主c p u 完成的主 超声波探伤信号数据处理技术的研究 要运算和控制功能。因此d s p 技术与高速a d 以及现代计算机技术的结合，将可以进一步 提高和完善对实时要求很高的装置。因此d s p 技术在超声波无损探伤中具有广泛的应用 前景【7 棚。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u su s b ) ，是一种快速、灵活的总线接口。与 其它通信接口比较，u s b 接口的最大特点是易于使用，这也是u s b 的主要设计目标。作为 一种高速总线接口，u s b 适用于多种设备。易于使用还表现在u s b 接口支持热插拔，并且 所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。数据传输速率高是u s b 接口的另一 特点。u s b 接口支持1 5 m b s ( 低速) 、1 2 m b s ( 全速) 和高速4 8 0 m b s 的数据传输速率， 扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，u s b 的最大理论传输速率仍达 1 2 m b s 或9 6 m b s ，远高于一般的串行总线接口。纵观国内的传统超声波探伤仪与上位 机通讯的方式有串口和并口的微机通讯方式。在通讯速度、容错型与稳定性、实现成本 等方面相比，u s b 接口更胜一筹 1 0 - 1 2 l 。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 硬件实现 3 1 系统硬件设计框图 数据采集卡的硬件主要有三部分：模数转换部分，数据缓存部分以及数据处理部分。 模拟信号首先进入并行模数转换器，模数转换器( a d ) 将转换的结果写入先进先出存 储器( f i f o ) ，最后由d s p 控制器将数据通过u s b 总线传送给主机硬件框图如图3 1 所 示。系统总体硬件原理图见附录a 。 超声波 i 。1 。j l模拟部分i 控制信号 数字部分 l i i j 图3 1 硬件框图 f i g 3 1h a r d w a r ec h a f 3 2 模拟放大部分组成 超声波传感器采集的超声波信号首先通过差分放大器进入模数转换器，由于超声波 检测中，最常用的频率范围为0 5 l o m h z ，根据采样定理对于采样速率，理论应高于超 声波带宽n 1 0 倍。实际应用中，为保证缺陷回波的峰值采集至少需要6 0 8 0 m h z 。本系统 的a d 转换器采用美信公司的m a x l 4 4 8 芯片，m a x l 4 4 8 是一款1 0 位精度，采样速率8 0 m b p s ， 参考电压可调的高速高精度模数转换器。本系统使用模数转换器的内部参考源，参考电 压为2 0 4 8 v ，最低位精度可达到2 m v 模数转换部分电路如图3 2 所示。前端差分放大器 用于将输入的信号转换为差动信号输入到模数转换器的差分输入端，差分放大部分电路 超声波探伤信号数据处理技术的研究 电路如图3 3 所示。 图3 2 模数转换部分电路 f i g 3 2a dc i f c u i t 3 3 数字部分组成 数字部分由f i f o ，d s p ，d s p 电源部分，复位部分，存储器扩展部分和u s b 接口部分 组成，其中核心器件为t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ，为了给d s p 提供i o 弓1 脚电压和可调的c p o 核心工 作电压，保证d s p 稳定工作，选用t p s 7 6 7 d 3 0 1 电源芯片，t p s 7 6 7 d 3 0 1 是一款双电压输出 芯片，可以输出3 3 v 固定电压，还可以输出o 3 3 v 的可调电压，输出电压稳定。为了在 上电后对d s p 进行程序自动加载，外扩一个串行f l a s h ，选用s t 公司的m 2 5 p s o 芯片，m 2 5 p 8 0 带有先进的写保护机制，具有高速s p i 兼容总线( 最大时钟速率可达到2 5 删z ) ，存储容 量为8 m b i t 。存储器利用页编程指令一次可编程1 至2 5 6 个字节，具有超过2 0 年的数据保 存能力。通过d s p 的m c b s p 串口与m 2 5 p 8 0 进行通信实现程序的自动加载。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 3 差分放大部分电路 f i g 3 3c i r c u i to f d i f f e r e n ta m p l i f i e rp a r t 由于采样速率很高，为了给d s p 以足够的处理时间，采用缓存电路用于实现将 m a x l 4 4 8 采集的数据写入d s p 存储器的特定地址。采集卡上选用的数据存储器c y 7 c 4 2 4 5 是 高速、低功耗1 8 位存储器，它是一种高可靠性低损耗的芯片。8 0 m b p s 的高速数据流在数 据分配时钟的作用下将数据依次写入缓存器。因为系统要求超声波头波与底波的时间间 隔为5 0 u s ，而d s p 的读取速度为3 2 b p s ，在8 0 m b p s 的采样速度下所需存储容量为2 k 。考 虑现场中可能溢出等不稳定因素，存储器存储深度设定为4 k 。 为了保证d s p 正常工作，每一个不使用的输入引脚都需要处理，根据引脚说明将不 用的输入引脚上拉为高电平，或直接接地。 d s p 采集的数据通过u s b 接口传送给主机。u s b 接口部分选用u s b 的b 型接头，按照u s b 协议的电气连接方式，由于输入的是差分信号，为了保证阻抗匹配，按照器件手册在d + 超声波探伤信号数据处理技术的研究 和d 一两端分别连接两个2 4 欧姆的匹配电阻，和两个5 0 皮法的电容，保证数据同步传输。 u s b 接头电路如图3 4 所示。 图3 4 u s b 接口电路 f i g 3 4u s bi n t e r f a c ec i r c u i t 沈阳工业大学硕士学位论文 4d s p 下位机软件设计 d s p 下位机软件设计由三部分组成：定时计数器程序设计、数据采集程序设计和u s b 接口通信程序设计。其中定时计数器程序产生f i f o 的读时钟信号，d s e 控制f i f o 的读 取速度；数据采集程序将f i f o 的数据通过d s p 的g p i o 【3 采集至j j d s p 的内部存储区；u s b 接 口通信程序将d s p 存储区内的数据通过u s b 接口传送给主机进行显示。进行以上三部分程 序的设计需要利用自带的c s l 库函数，并且需要编写存储器配置文件。 4 1c s l 库函数简介 c s l 组件是d s p b 1 0 s 中的一员，它的主要作用在于为用户提供d s p 片上外设的抽象调 用方法。c s l 通过片上外设的硬件抽象，使用户不用去管理具体硬件细节( 包括时序) 而直接引用即可。这不但方便了用户开发硬件系统，而且提供了一种硬件访问的标准化 方法，使程序具有更好的可移植性和灵活性。另外，加快了开发速度的同时，也减少了 访问出错的机会c s l 支持调用d s p 片上所有外设，对于5 5 0 9 来讲包括d m a 、g p i o 、m c b s p 、 p l l 和t i m e r 等。 c s l 与d s p b 1 0 s 一样，是通过专用的a p i 函数使得访问片上外设更加方便。这些a p i 函数按功能不同分为许多个程序包，依次为：c h i p 程序包、d a t 程序包、d m a 程序包、g p i o 程序包、h p i 程序包、i r q 程序包、m c b s p 程序包、p l l 程序包、t i m e r 程序包，分别支持 管理c p u 、d m a 、g p i o 、h p i 、片上外设中断、m c b s p 、p l l 、计时器等片上资源。各个 程序的a p i 函数大部分以相应的程序包名加下划线开头，容易识别和掌握0 3 j 4 1 。 几乎任何一个程序都离不开c s l 的支持，因为任何一个程序的完成必然是对数据的 处理，这些数据源必然是来自片上外设的，除了访问片上外设之外，没有其他的途径。 各个c s l 模块都定义了相应的函数和宏来实现模块对片上外设的控制和访问一般分为 特殊函数宏和一般函数宏。 ( 1 ) 常用的c s l 库标准函数如下所示： 1 ) h a n d l e = p e r _ o p e n ( c h a n n e ln u m b e r ，p r i o r i t y ，f l a g s ) ，该函数打开外围 设备通道，得到设备句柄，其中c h a n n e ln u m b e r 为设备通道号，p r i o r i t y 为优先级， f l a g s 为标志位。 超声波探伤信号数据处理技术的研究 2 ) p e r _ c o n f i g ( h a n d l e ，木c o n f i g s t r u c t u r e ) ，该函数配置外围设备寄存器，其 中h a n d l e 为设备句柄，c o n f i g s t r u c t u r e 为配置的结构体值。 3 ) p e r _ s t a r t ( h a n d l e ) ，该函数打开外围设备。 4 ) p e r _ c l o s e ( h a n d l e ) ，该函数关闭外围设备。 按照c s l 库函数的标准，对于不同的外设只需要将p e r 换成对应的片上外设的名称就 可以调用函数，如果使用片上外设定时计数器贝| p e r 就为t i m e r ，使用片上外设缓冲串口 贝i p e r 就为m c b s p 。 ( 2 ) 常用的宏函数如下所示： i ) p e r _ f g e t ( r e g # ，f i e l d ) ，该函数获得r e g 寄存器指定位f i e l d 中的值。 2 ) p e r _ f s e t ( r e g # ，f i e l d ，f i e l d v a l ) 该函数为寄存器r e g 中的指定位f i e l d 赋值。 在程序中调用c s l 的方法有两种：一种是通过d s p b i o s 组件管理器，另一种是直接 调用c s l 库函数。后者要求用户对c s l 库函数相当了结，这种方法生成的可执行代码要小 的多。运用第二种方法调用c s l 库函数时，首先应在文件中包含c s l 库函数的头文件，在 本系统中使用了定时计数器( t i m e r ) ，通用输入输出口( g p i o ) ，以及i j s b 接口，因此 在主函数中需要包括头文件c s l t i m e r h ，c s l _ g p i o h ，c s l h ，c s l _ c h i p h ，c s l _ p 1 1 h ， 其中c s l c h i p h 为芯片支持库，包含芯片内各个外设对应的寄存器名称和地址， c s l _ p 1 1 h 为c p u 支持库，包含对c p u 系统寄存器进行初始化和对工作时钟进行倍频的函 数【1 5 1 。 4 2 存储器文件的编写 t m s 3 2 0 c 5 5 x 系n d s p 内部均带有一定数量的高速物理存储区空间，在实时性要求很 严格的应用系统中，应尽可能将程序和数据存放在内部物理存储区中，而且尽可能地将 数据区定义在内部双访问r a m ( d a r a m ) 中。程序区可定义在内部单访问r a m ( s a r a m ) 、 d a r a m 或是r o m 中，一些查找表或是初始化数据也可以放在程序区中。因为对于程序区常 常只有读操作，而对于数据区往往可以同时存在有读操作和写操作，所以数据区尽可能 定义在d a r a m 中对片内物理存储器的访问是通过访问映射存储器来实现的。也就是说， 片内物理存储器必须被映射到映射存储器上才能被访问。d s p 系统的映射存储器分为三 沈阳工业大学硕士学位论文 块区域，分别称为程序区、数据区和i o 区。般来说，i o 区是片外资源。数据区可以 为片上存储区映射的，也可以是片外存储器映射的，或兼而有之。而且，这两个区域常 常是不能被扩展访问的。程序区分为基本程序区和扩展程序区，显然是可以被扩展的。 对于不同的d s p 芯片，扩展能力不同。可见d s p 系统的映射存储器代表t d s p 芯片的 一种寻址能力和可访问空间的大小，在没有对映射存储器配置前，这些映射存储空间是 虚拟的，是不能用来存储程序和数据的。所以在d s p 程序在编译和汇编之后，连接成目 标文件之前，必须加入存储器配置文件( c m d ) ，将实际的物理存储区空间映射到映射 存储器空间上【1 乒瑚。 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 包含6 4 k x1 6 b i td a r a m ，1 9 2 k 1 6 b i t s a l o j “和6 4 k x1 6 b i t r o m 。d a r a l i 由8 块8 k x1 6 b i t 的区块组成，每一个区块均可在个指令周期内完成两次读操作或一次 读和一次写操作，s a r 眦2 4 块8 k x1 6 b i t 的区块组成，每一个区块均可在个指令周期 内一次读或一次写操作，r o m f l l l 块3 2 k 1 6 b i t 的区块和2 块1 6 k 1 6 b i t 的区块组成【1 9 1 。 本系统使用的c m d 文件如下所示： i 卑m e m o r yd i r e c t i v e 卑 m e m o r y r a m - o r i g i n = 2 0 0 0 0 hl e n g t h = 2 0 0 0 0 h r o m ： o r i g i n = 0 0 8 0 0 hl e n g t h = l f o o o h f 卑s e c t i o n sd i r e c t i v e * s e c t i o n s t e x t ：r o m d a t a ：r a m c i n i tr o m b s s r a l l s t a c k r 删 s y s s t a c k r a m ) 其中m e m o r y 为存储器指示关键字，程序区用r o m 来表示，数据区用r a m 来表示，其中 超声波探伤信号数据处理技术的研究 数据区占了1 2 8 k x l 6 b i t 的d a r a m 。o r i g i n 代表空间的起始地址，l e n g t h 代表空间所占用 的长度。s e c t i o n 是存储器区段关键字；t e x t 等是汇编指示标志关键字，它的含义为将 程序段放入r o m 中；c i n i t 指示将c 语言初始化数据存入r o m 中；s t a c k 表明在r a m 中开辟 堆栈；b s s 指示将未初始化的变量分配到r a m 中；d a t a 将采集的数据存入r a m 中【2 0 】。 4 3 定时计数器编程 通用计时器由两个计数器提供超过2 0 位的动态计时范围，有一个4 位的预引比例因 子计数器和一个1 6 位的主计数器。定时计数器有两个计数寄存器( p s c ，t i m ) 和两个周 期寄存器( t d d r ，p r d ) 【2 ”，在计时器初始化和重载时，周期寄存器的内容将被自动复制 到计数寄存器，时间控制寄存器将控制和监视计时器的工作状态，定时器的外部引脚即 可以作为输入时钟引脚也可以作为定时器的时钟输出引脚，作为输入引脚还是输出引 脚，由控制寄存器的f u n c 位决定。计数器工作后p s c 每过一个时钟周期减一，p s c 减为零 时向c p u 或d m a 控制器发送中断请求，定时计数器可以工作于自动加载模式，只要计数寄 存器的值减为零，周期寄存器的值就将被自动复制到计数寄存器，使计时器可以产生连 续的时钟信号。本系统采用定时器产生外部先进先出存储器( f i f o ) 的读写时钟，可以 由d s p 控制存储器的读写速度。 定时计数器将会在t i n t o u t g i 脚产生时钟提供给f i f o 作为f i f o 的读时钟，5 5 0 9 可以 通过改变时钟寄存器的值，改变数据的读取速度。定时计数器有4 个主要寄存器：定时 器控制寄存器( t c r ) ，主计数寄存器( t i m ) ，主周期寄存器( p r d ) ，时间预引比例 因予计数器( p r s c ) 。定时计数器按照以下步骤产生周期信号； ( 1 ) 配置t i n t o u t s 脚为输出引脚，将t c r 的f u n c 位置为0 1 ，使定时计数器工作于 时钟模式，将t c r 的c p 位置i ，以上配置将使时钟定时器每次减计数为0 后就产生信号跳 变。 ( 2 ) 由于每次时钟定时器减计数为0 后就产生信号跳变，所以总的时钟输出周期是 计数时钟周期的两倍，如果需要将c p u 时钟周期分频i 0 0 倍，则高电平需计数5 0 次，低电 平需计数5 0 次，将主周期寄存器( p r d ) 设为9 ，时间预引比例因子计数器( p r s c ) 设为 4 。t c r 中的自动加载位( a r b ) 设为i ，定时计数器将每次重新自动加载初始值。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 为了让定时计数器不受中断干扰连续工作，将t c r 的f r e e 位置为1 ，定时计数 器将产生持续不间断的周期性信号。 具体实现程序如下所示； v o i dc r e a t _ c l k ( v o i d ) 强o p e nt i m e r0 s e tr e g i s t e r st op o w e ro nd e f a u l t s 卑7 m h t i m e r o = t i m e r _ o p e n ( t i 髓r _ d e v o 。t i m e ro p e nr e s e t ) ： 江w r i t ec o n f i g u r a t i o ns t r u c t u r ev a l u e st ot i m e rc o n t r o lr e g s 聿| t i m e r _ c o n f i g ( m h t i m e r o ，& t i m c f g o ) ： | s t a r tt i m e r t i m e r _ s t a r t ( m h t i m e r o ) ： 4 4 数据采集及时序控制程序设计 d s p 的通用输入输出口可以方便的对外部器件进行控制，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 有三种类型 的通用输入输出口：专用的g p i o n ，地址总线复用g p i o 口，h p i 总线复用g p i o n ，其中 后两种g p i o d 可以通过系统寄存器选择是否作为g p i o 口- i - 作。通过三个寄存器可以控制 g p i o d 的工作，三个寄存器分别为g p i o 使能寄存器，控带o g p i o q l 脚是处于工作状态还是 高阻状态，g p i o 方向寄存器，控制g p i o 引脚是作为输入引脚还是输出引脚，g p i o 数据寄 存器，存储g p i o q i 脚的输入或输出数据。d s p 通过向三个寄存器写入不同的值，控$ ! j g p i o 口作为输入引脚，接受外部的数据到数据寄存器或作为输出引脚，输出高低电平控制外 部器件工作。本系统利用g p i o n 对存储器和模数转换器进行控制并通过g p i o n 接收模数 转换器输出的数字信号 模数转换器( a d ) 采集的数据通过d s p 的通用输入输出口进入d s p 的数据存储区， 选用5 5 0 9 的地址总线( a o a 9 ) 作为通用输入输出口，模数转换器采集的1 0 位并行数据 通过数据缓冲增大驱动和抗干扰能力后输入到先进先出存储器( f i f o ) 的d o m ) 9 ，f i f o 的输出端g q o - - q 9 与5 5 0 9 的a o a 9 相连，f i f o 的写使能控制引脚( w e n ) 与5 5 0 9 的a l l 相连， 读使能控制( r e n ) 引脚与5 5 0 9 的a 1 2 相连，芯片使能控制引脚( f i f o _ o e ) 与a 1 3 相连。 超声波探伤信号数据处理技术的研究 模数转换器的芯片使能控制引脚( a d _ o e ) 与5 5 0 9 的a i o 相连。5 5 0 9 通过读写g p i o 数据寄 存器获得采集的数据并对f i f o 的读写进行控制。 5 5 0 9 的a g p i o 共有三个寄存器a g p i o 数据寄存器( a g p i o d a t a ) ，方向寄存器 ( a g p i o d i r ) 和使能寄存器( a g p i o e n ) ，将5 5 0 9 的a g p i o 方向寄存器的第1 1 3 位置为i 作为输出端口，控$ | i f i f o 和a d 间断工作，第o 9 位置为0 作为输入端口接收f i f o 的输出 数据，b p a g p i o d i r 的值赋为0 x 3 c 0 0 ，5 5 0 9 对f i f o 的时序控制图如图4 1 所示。 在传感器传回信号的时间段t l 使a d 和f i f o 正常工作，将采集的数据存入f i f o ；在 传感器停止工作的时间段t 2 将a d _ o e 置为无效状态( 高电平) ，f i f o 的r e n 置为有效状 态( 低电平) ，w e n 置为无效状态( 高电平) ，使f i f o 在时间段t 2 只能进行读操作不能 进行写操作。d s p 在整个时间段t 内读空f i f o 中的数据。旧的数据读空后，再将a d _ 0 e 置 为有效状态( 低电平) ，进行新一轮的数据采集。具体的程序实现如下所示： g p i o _ _ r s e t ( a g p i o e n ，o x 3 f f f ) ： g p i o _ r s e t ( a g p i o d i r ，0 x 3 c 0 0 ) ；初始化a g p i o 使能寄存器和方向寄存器 g p i o _ _ p i n e n a b l e ( g p i o _ p i n 9 ) ； g p i o _ p i n d i r e c t i o n ( g p i o _ p i n 9 ，g p i o _ o u t p u t ) ： g p i o _ p i n w r i t e ( g p i o _ p i n 9 。o ) ：f i f o 复位 7 卑延