（生物医学工程专业论文）基于arm9的数字超声检测系统的研制.pdf

英文摘要 a b s t r a c t t h em e t h o d so fn o n e - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) n o w a d a y sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nq u a l i t y c o n t r o lo fp r o d u c t sa n di nm a t e r i a l sf l a wd e t e c t i o n w i t h i nt h e s em e t h o d s ，n o n e - d e s t r u c t i v et e s t i n g b yu l t r a s o n i cw a v e sj sw i d e l yu s e d i t sa p p l i c a t i o ni n v o l v e sm e d i c a lt r e a t m e n t , i n d u s t r ya n d g e o l o g i c a lr e c o n n a i s s a n c e a n ds oo n b e u 鞴o ft h ed e v e l o p m e n ti ne l e c t r o n i cs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yi nc o m p u t e rs c i e n c e ，d i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rh a sb e e no p t i m i z e do n a s p e c t s o f s y s t e m f u n c t i o n , s e n s i t i v i t ya n d d a t aa n a l y s i s o n t h e o t h e r h a n d , t h e i n d u s t r i a l a n d t h e m e d i c a lu r e q u i r et h eu l t r a s o n i cd e t e c t o rt ob eu s a b l ei nr e a lt i m e a n dc o u l dd e t e c ta n da n a l y s i st h e p r o b l e mn g ti ne v e r yo c c a s i o n b a s e do i lt h er e s e a r c hw o r ka n db a c k g r o u n do f o n rl a b o r a m r y , w h i c hh a dd e v e l o p e dm a n y k i n 出o f u l t r a s o n i cm a c h i n e sf o rm e d i c a lu s ca n di n d u s t d a lu 辩w ei n v e n t e dan o v e lu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o rb a s e do na r m 9 s y s t e m t h i su l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rl ，s e se m b e d d e dp r o c e s s o ro f $ 3 c 2 4 1 0f a b r i c a t e db ys a n s u n c o m p a n y i t sc p u w h i c hh a sc h a r a c t e r i s t i c so f h i g he f f i c i e n c ya n dl o wp o w e rw a s t a g e t h e h a r d w a r eo ft h es y s t e ma r ef o c u s e do na r m 9d e v e l o p i n gp l a t f o r m , t o g e t h e rw i 山t h el e ds c r e e n , d a t as a m p l ec a r d ，u l t r a s o n i ce m i s s i o na n dr e c e i v ec i r c u i t i no r d e rt oi m p r o v et h em o d u l a r i z a t i o no ft h i sn c ws y s t e m , a1 血u xb a s e ds y s t e mp l a t f o r mi s u s e d i nt h es y s t e ms o f t w a r ep r o g r a m m i n g , iu s e dt h em e t h o do fs t r u c t u r ea n dm o d u l a r i z a t i o nt o b u i l dd i f f e r e n tm o d u l a r i z a t i o n sb ys t a n d a r dcl a n g u a g ea s s o c i a t ew i t ha r ml i n u xs y s t e m is t a r l e a i f i o ma n a l y s i sa n dm o d i f i c a t i o no fb o o t - l o a d e r c o n f i g u r a t i o no fl j 丑呱k e r n e l a n dt h e n1 p r o g r a m m e dt h ed r i v e rc o d ea n da p p l i c a t i o na p i f o rd a t as a m p l em o d u l e ，m o d u l eo f d a t aa n a l y s i s a n dd i s p l a y , a n dt h em o d u l eo fk e yb e a r d , w h i c hr e a l i z e dr e a lt i m ed a t as a m p l e ，a n a l y s i sa n dd i s p l a y o fu l t r a s o n i cw a v e f i n u l l y ，1c o m p l e t e dm u l t i p l ea p p l i c a t i o nf u n c t i o nf o ru l t r a s o n i cd e t e c t i o n i n c l u d i n gp r o b et e s t ，t h i c k n e s st e s t , t h ed r a w i n go fd a c c u r v ea n ds oo n c o m b i n a t i o no ff u n c t i o n k e ya n da s s i s t a n tm e n u , t h es y s t e mo f f e r saf r i e n d l yn s e gi n t e r f a c e o u rn o v e lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o ri sc h a r a c t e r i z e da si t ss m a l ls i z e 1 0 wp o w e rw a s t a g ea n d h i g hi n t e h i g e n c e k e yw o r d ：a r m 9 ，u l t r a s o n i cd e t e c t ，e m b e d d e ds y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：径商塾 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 啤导师签名： 3 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 市场竞争归根到底是质量的竞争，无损检测技术是保证高质量的重要手段先进发达的 工业国家特别重视无损检测技术。美国为了保持它在世界上的领先地位，早在1 9 7 9 年的一次 政府工作报告中就提出成立六大技术中心，其中之一就是无损检测技术中心 1 - 6 世界上大多数工业：从汽车、航空航天和铁路运输到电子设备的生产和石油生产，都依 靠无损检验来确保质量的控制和安全 图1 1 ：无损检测领域和常见检测方法 目前用于无损检测的方法有很多五种常规的方法是：射线检测、磁粉检测、渗透检测、 涡流检测、超声波检测。此外，还有红外、激光、声发射、工业c t 等图1 1 显示了几种常 见的无损检测方法和检测领域。 射线检测法：当射线透过被检物体时，有缺陷部位( 如气孔、非金属夹杂物等) 与无缺 陷部位对射线的吸收能力不同，可以通过检测透过工件后的射线强度的差异来判断工件中是 否存在缺陷目前，国内外应用最广泛的射线检测法是射线照相法。采用感光胶片来检测射 线的强度 磁粉检测法：当材料或工件被磁化后若材料表面或近表面存在缺陷，便会在该处形成 第一章绪论 一漏磁场。此漏磁场将吸引，聚集检验过程中施加的磁粉。磁粉检测只适用于铁磁性材料及 其合金的检测，如铁、钴、镍和他们的合金等 渗透检测法：利用渗透液的湿润作用和毛细现象在工件表面上浸涂渗透力比较强的渗透 液，液体渗入孔隙中清洗掉工件表面的剩余渗透液，再用显示材料施加在工件表面，经毛 细管作用、将孔隙中的渗透液吸出来并加以显示。所以不适宜多孔型材料表面的检测 涡流检测法：用载有交变电流的检测线圈靠近试件，试件会感生出涡流。涡流的大小， 相位及流动性受到试件导电性能的影响，而涡流的反作用又使检测线圈的阻抗发生变化。因 此，通过测定线圈阻抗的变化( 或线圈上感应电压的变化) 。就可以得到被检测材料有无缺 陷的结论。只适用于导电材料。 超声波检测技术，是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响。来判断结构内部及 表面缺陷的大小、形状和分布情况的。超声检测具有灵敏度高、操作方便、快速、正确、经 济等优点，因此越来越受到工业界的注意尤其在造船j 航空、兵器、化工机械，钢铁工业、 铁路运输部门有着十分广阔的使用发展前途 超声波测技术是一种非介入性的无损检测技术，目前被广泛的应用于医疗，工业检测， 地质勘探等多种不同领域应用于不同检测目的的超声检测也随着电子科学技术的发展日新 月异本论文中，详细介绍了基于a 删9 嵌入式系统的新型数字超声检测仪。 1 2 超声检测仪器的发展 超声波检测概念起源于苏联，1 9 2 9 年萨哈若夫提出利用穿透法检查固体内部结构的构想， 并利用超声波在实验室成功地证明了这一想法但是由于穿透法分辨率差、操作不便，未能 广泛用于工程检测。 1 上世纪4 0 年代，美、英在声纳技术的基础上先后研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，并 逐步用于锻钢和厚钢扳的探伤。5 0 年代初，世界各主要工业国家相继采用脉冲反射式超声波 探伤仪对钢铁、造船和机械制造部分材料进行探伤 1 9 6 4 年，电子元器件和电子技术设计的进步，使超声波探伤仪在脉冲发射的性能、放大 器增益、线性等特性上有了很大的改进 发展到6 0 年代末，各种试块的标准化、系列化促进了超声波探伤仪主要技术指标的标准 化、超声波换能器性能的优化和系列化。在各种超声波探伤标准的支持下，超声探伤方法广 泛用于机械冶金、电力、铁道、石化、航空、造船、建筑等行业的材料和构建探伤 7 0 年代计算机开始应用于自动超声检测信号处理中检测到的超声回波信号，经a d 变换 后，进入计算机系统，进行处理。由于计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力；另 一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量 2 第一章绪论 和报警。计算机的应用，象征着数字化超声波探伤仪时代的到来。 随着大规模集成电路和微机技术的快速发展，1 9 8 3 年，德国k r a u t k r a m e r 公司推出第一台 便携式数字化超声波探伤仪u s d i 型，采用的是z 2 8 0 0 ，u ，尽管重量较重，体积较大，功能较差， 但其自动设置d a c 曲线、自动判伤、数据存储和打印输出功能己显示出数字化超声波探伤仪强 大的生命力。1 9 8 6 年起，世界各主要工业国家数字超声检测仪得到迅速的发展。新一代用于 生产的超声波检测仪，在进一步向小型化和多功能化发展。 国内这方面的研究起步比较晚，且进展比国外慢。 进入8 0 年代，国内的一些研究单位和大学开展了计算机在超声无损检测方面的研究最 初的研究主要集中在超声回波信号的数字化及有关的数字信号处理方面，这是无损检测计算 机应用的基础8 0 年代中期，国际上新一代便携式全数字仪器的发展得到迅速发展。到9 0 年 代初，我国研究人员陆续研究出自己的便携式全数字超声波探伤仪。1 9 8 9 年中科院武汉物理 所武汉科声技术公司研制成功我国国内第一台全数字化超声波探伤仪( i ( s l o l o 型) ，并于1 9 9 0 年批量推向市场。与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪亦研制成功 推向市场从而推进了我国新一代数字化超声波探伤仪的发展。不少国产仪器功能和指标已 能和国外先进仪器媲美，并有自己的特色国产数字式超声波探伤仪正越来越为探伤界所接 受。本实验室也从9 0 年代初就开始进行便携式超声检测仪的研究，十余年来为工厂和医院开 发了多种超声检测仪器 目前，超声检测仪器系统的发展方向是进一步集成化、智能化和小型化；仪器系统需要 具有更快的数据采集速度、更高的效率和准确性要求仪器能够对于实时采集的数据进行分 析、显示，并且能够进一步降低功耗，提高仪器的待机时间因此发展出一种具有高度集成 性和强大的处理功能同时便携的超声检测仪器十分必要。 1 3 超声无损检测原理 超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。 【7 8 超声波在介质种的传播波形主要有以下四种： 纵波：介质的振动方向与波形的传播方向平行纵波常用来探测板厚、锭材、大型锻件 及形状比较简单的制品 横波：介质的振动方向与波形的传播方向垂直。横波常用来探测焊缝、管材及形状比较 复杂的制品。 表面波：质点振动发生在与物体表面垂直，与波形传播方向平行的平面内，并沿表面传 播，振动的幅度随深度的增加而很快衰减在与传播方向垂直的平面内无质点位移。表面波 3 第一章绪论 又称为瑞利波，用表面波进行探伤时，一般只能在介质表面的一个波长的范围内进行，它对 表面的缺陷十分敏感，分辨率比横波和纵波高。表面波专用来探测表面裂纹缺陷。 板波：质点的振动方向及行进方向是由平行板面的纵波和垂直于板面的横波组成质点 做椭圆运动板波是在板材厚度与入射波波长可以相比较时形成的。板波主要用来对几毫米 到几十毫米的薄板进行探测。 超声检测技术是利用材料本身或内部缺陷对超声波传播的影响，来判断结构内部及表面 缺陷的大小、形状和分布情况的。根据声速和声波在介质中传播至缺陷所需要的时间可以测 出缺陷到探测入射点的距离 超声波检测的原理主要可以分成两类，一类是穿透法，另一类就是脉冲反射法。 穿透法：超声波束中有一部分穿透了工件，探头接受穿透工件的超声波，再根据穿透前 后超声波能量的变化来判断工件内部有无缺陷 脉冲反射法：超声波在材料中传播，如果材料内部出现不均匀性( 如缺陷、气孔、裂纹 等) ，就会产生反射回波，探头接受反射回波，再根据反射波的强度及到达的时间，来判断 缺陷的大小和深度。下图1 2 是使用脉冲反射法进行超声波检测的流程与结构示意图 图1 2 ：脉冲反射法的流程与结构 目前工业上所使用的超声探伤仪绝大部分都是根据脉冲反射法原理设计的论文中基于 a 删9 的数字超声检测系统也是使用脉冲回波反射法。 1 4 本文的目标和文章结构 根据材料无损检测的要求，论文设计了基于 聊9 处理器的数字超声波检测系统的研制。 系统中，选择了功能强大的嵌入式系统为硬件平台，具有高速、大存储容量等特点可以配 置如u s b 接口，网络接口和通用的显示设备等等。系统在超声波接收调整电路中采用宽带，低 4 第一章绪论 噪声的线性放大器，实现了1 2 0 d b 动态放大。软件设计中选择嵌入式l i n u x 操作系统，它具有 开放源代码、高度模块化使得添加部件非常容易、网络资源丰富等等优点在系统软件的编 写和调试中，采用结构化、模块化的程序设计方法，完成对超声回波的实时数据采集、处理 及显示，并实现了多种超声检测功能。 本文的第一章介绍选题背景，简述了超声波检测基本原理，并综述了当前无损检测领域 数字超声波检测系统的发展现状。 本文的第二章首先简单介绍了嵌入式系统的构成及特点。随后给出基于a 蹦9 处理器的数 字超声检测仪的系统硬件设计，并介绍了系统硬件的核心即$ 3 c 2 4 1 0 处理器的性能及其相关结 构。在本章的最后讨论了超声发射接受电路和数据采集卡的硬件设计 本文的第三章介绍基于a 删9 数字超声检测仪的软件开发。本系统以嵌入式l i n u x 操作系统 作为系统软件平台在系统软件的编写和调试中，采用结构化、模块化的程序设计方法，使 用标准c 语言并结合l i n u x 内核完成多个模块的设计首先分析和修改系统的启动代码 b o o t l o a d e r 以及a 脚l i n u x 的内核配置，然后根据需求给出数据采集模块、显示模块及键盘模 块这三个模块的设备驱动设计和应用层设计，实现了对超声回波的实时数据采集、处理及显 示等功能 本文的第四章给出系统实现的几种应用功能，包括仪器探头的性能测试、厚度测试和用 于超声检测的d a c 曲线的绘制等整个仪器系统能够满足现场实际检测功能的需要。 本文的第五章总结了整个系统所实现的功能，同时指出系统需进一步完善的地方 5 第二章数字超声检测系统硬件设计 第二章数字超声检测系统硬件设计 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 基本概念 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在设备中的微处理机系统，此类计算 机一般不引人注意。嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件 可裁剪、能适应应用系统对功能、可靠性，成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它是将先进的计算机技术、半导体技术及微电子技术相结合的产物，是技术密集的集成系统 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等四 个部分组成，实现对其他设备的控制、监视、管理等功能。在结构上，随应用的变化，可用 箱体、单板或分布式结点等形式嵌于应用设备或者系统中。 狭义而言，人们一般将埋藏在宿主设备中专业的、使用者不可见的微处理器系统，称为 嵌入式系统常见的单片机系统就是一种典型的初级嵌入式系统。广义而言计算机可以作 为某种技术过程的核心处理环节，直接与真实世界自然地接口与互动，按照环境事件的节拍 主动，协调地做出响应，也就是。嵌入”到了一个技术过程中，成为一种嵌入式计算机。实 现这种技术过程的系统就可看成嵌入式系统。 早在2 0 世纪七八十年代就已经有嵌入式微处理器应用于工业控制等领域。随着工业， 医疗卫生和国防等各部门对智能控制需求的不断增长，对嵌入式微处理器的运算速度、可扩 充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求为了适应各方面的需求，嵌 入式微处理器的体系结构经历了从a s c 到r i s c ，从4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位，寻 址空间从6 4 k b 到1 6 m b 甚至更大。处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m s ，常用封装从8 引 脚到1 4 4 引脚的过程为了适应市场发展的需要，国外的著名处理器生产厂商( 如m o t o r o l a 、 a r m 、i n t e l 、a m d 等) 纷纷推出各自的嵌入式微处理器，比较有代表性的有：a r m 公司 的a r m 系列，m o t o r o l a 公司p o w e r p c 系列、i n t e l 公司的s t r o n g a n n 系列等。这些微处 理器各具特色，大都性能优越，系统集成度高。扩展能力强，可以广泛的应用于各类嵌入式 系统中9 0 1 4 。 2 1 2 嵌入式系统的特点及应用 嵌入式系统通常具有以下特点： 6 第二章数字超声检测系统硬件设计 1 、专用处理器。不同档次的嵌入式系统的微处理器差别很大，体系从c i s c 到r i s c 和 c o m p a c tr i s c ；位数从4 位到6 4 位；处理能力从0 i m i p s 到2 0 0 0 m i p s ；封装、功耗，体 积也有很大差别。因此，根据系统的不同需求，通常选择不同的型号的芯片 2 、外围硬件设备结构紧凑。由于嵌入式系统对体积、功耗、成本要求很严所以外围 硬件只需要留下那些必不可少的部分，性能只须满足应用的要求即可。 3 、操作系统是实时多任务操作系统。简单的嵌入式系统可以不使用操作系统，主程序 使用一个消息控制环来调度各个任务。但是复杂的嵌入式系统应该使用操作系统，这样能将 应用程序中的多个任务清晰便利地组织起来。嵌入式的操作系统多数为实时多任务操作系 统，而且它是可裁减、可配置的，以提高运行速度和减少所需存储器。 4 ，应用软件对硬件依赖性强。由于嵌入式系统的专用性。所以运行其上的应用软件也 是专用于完成某一应用的，其开发和使用都具有特定性 5 、多样性。嵌入式系统应用广泛，品种繁多应用基本覆盖了社会各方面。 6 、嵌入式系统的开发模型受限于嵌入式系统自身资源与空间的限制，嵌入式实时软 件开发一般采用主机一目标机型。集成开发环境运行在开发主机上。开发主机可以是工作站、 p c 机等，运行的操作系统多为u n i x 、m i c r o s o f t w i n d o w s 等工具丰富、界面友好的系统平台 目标机是指开发者设计制作好的硬件系统主机和目标机通过串行口、以太网、仿真器或其 他通信手段相联系。用户所有的开发工作在主机开发环境下完成，包括编码、编译、连接等 工作生成目标码后下载到目标机，应用程序在目标机上执行用户可以使用主机开发环境 提供的调试工具，在线调试运行在目标机上的应用程序 嵌入式系统种类繁多，应用不胜枚举，已经渗透到了科学研究以及人们的日常生活等方 方面面，广泛的应用于工业、商业和军事等领域： ( 1 ) 工业过程控制：对生产过程中的各种动作流程进行控制。这种控制是在对被控对象 和环境进行不断检测的基础上做出及时、恰当的反应如各种智能测量仪表、数控装置、可 编程控制器等 ( 2 ) 智能仪器和消费电子：如各种医疗电子仪器等 ( 3 ) 商业设备：如银行外围设备等。 ( 4 ) 消费电子：各种信息家电产品，如数字电视机、机项盒、计算机外设、家庭和办公 所用的消费电子产品等。 ( 5 ) 军事电子：各种武器控制、雷达、电子对抗军事通信装备，指挥作战设备等我国 嵌入式计算机最早用于导弹控制。 嵌入式计算机与家用电器及各种工业设备的结合使计算机无处不在。目前微处理器微控 制器的产量为1 0 多亿片远大于个人计算机通用台式机。世界嵌入式系统硬件和软件开发工 具市场每年约2 0 0 0 f & 美元嵌入式系统带来的工业年产值达一万亿美元。在智能化仪器领域 内，应用嵌入式技术将是仪器小型化，增强便携性的必然要求目前在国际市场上，应用最 新的嵌入式技术实现的高性能超声检测产品展现了强大的性能。 7 第二章数字超声检测系统硬件设计 2 1 3 嵌入式系统的一般构成 与普通的计算机系统一样，嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成。硬件是系统的 物理基础，它提供软件运行的平台；软件则实际控制系统的运行。整个系统的体系结构如下 图2 1 所示。大致可分为五层，最底层是中央处理器c p u ，然后是外部电路设备，基于c p u 和 外部设备之上的是操作系统，它为上层的应用软件提供编程接口，并管理系统的运行。 1 s - 1 6 下面分别介绍嵌入式系统硬件和软件的一般构成 i a p p l i c a t i o n 应用层 i ia p i 应用编程接口 i 1嵌入式操作系统 i i i e x t e m e ld e v i c e s 外部设备 i i i c p u l 图2 1嵌入式系统的体系结构 一、嵌入式系统的硬件构成 嵌入式系统的硬件部分可以分为三层：核心微处理器、各种外围接口电路和外部设备 如图2 2 所示 1 器l p 嘶们咖。 lc 譬芸= 忡l 了f j 亡 尚 萝萌蕈 i 舻i 鬯 ，刘e 目亡 l 器ii 。：掣l 一 j 亡 二土2 ：_ c 肿d 邺 型 。 扎 e x ”r n ld v i c l 曰曰日囤日日 图2 2 嵌入式系统的硬件结构图 8 第二章数字超声检测系统硬件设计 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，负责整个系统的执行。主要可分为三类：嵌入式微 处理器，嵌入式微控制器和嵌入式d s p 外围电路( c h i pb o a r dc i r c u i t ) 包括嵌入式系统的内存。各种通信接口，还有复位和电源 等，与c p uc o r e 一起构成完整的嵌入式系统。 外部设备( e x t e r n a ld e v i c e s ) 是指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备 ( 如f l a s hc a r d ) 、i o 设备( 如键盘、l c d 等) 和打印设备。 在实际环境中嵌入式设备的硬件配置非常灵活。除了c p u 和基本的外围电路外，其余部 分都可以进行剪裁。嵌入式处理器所提供功能的强弱直接决定了嵌入式应用的使用范围和开 发复杂度。 二、嵌入式系统的软件构成 嵌入式系统的软件结构可以分为四个层次：设备驱动、嵌入式操作系统、a p i 应用编程 接口和应用程序，如图2 3 所示： b 笛i c 基本内核 e x t e n d e d 扩展内该 圆固圆回回国l 塑! 竺i | 坐! 竺| | 塑! 竺i 圈回国 ld d i 设备疆动蓉口i 图2 3 ：嵌入式系统软件体系结构 嵌入式操作系统：分为基本内核和扩展内核基本内核内核是嵌入式操作体系中最核心、 最基础的部分，负责整个系统的任务调度、存储管理、时钟管理和中断管理并提供文件操 作和图形界面管理。扩展内核是为了方便用户使用而对操作系统进行的扩展，为用户提供操 作系统的扩展功能，包括网络、数据库等。 设备驱动接口：负责嵌入式系统与外部设备的信息交互，是建立在操作系统内核与外部 硬件之间的一个硬件抽象层 应用编程接口：也称为应用编程中间件，是编制应用程序提供的各种编程接口库，从而 介绍应用开发者的负担，方便用户编写特定领域的嵌入式应用程序。 应用程序：完成系统特定功能的软件，如嵌入式文本编辑、游戏等。 9 第二章数字超声椅测系统硬件设计 2 2 超声检测系统的硬件平台设计 2 2 1 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 系统的核心部件就是其处理器。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已 经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。但与全球p c 市场不同的是，没有一种微 处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统，仅以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种以上嵌入 式微处理器由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的调查上市的c p u 供应商，有些公司如m o t o r o l a 、i n t e l ，a r i d 很有名气，而有一些小的公司，如o e d ( s a n t a c l a r a c a ) 虽然名气很小，但也生产很优秀的微处理器。另外，有一些公司，如a r i d 、b l i p s 等，只设计但并不生产c p u 他们把生产权授予世界各地的半导体制造商 s d t m 全称为a d v a n c e dr 4 s cm a c h i n e s ，是近年来在嵌入式系统界很有影响力的微处理 器制造商，它设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器以及相关的技术和软件，非 常适用于小型、便携式电源供电系统。a r m 处理器的产品很多，主要包括a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e r o d m 系列等等。其中： 1 6 - 1 8 】 ( 1 ) a r m 7 系列处理器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，主要用于对功耗和成本要求比 较苛刻的消费类产品，提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 ( 2 ) a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能提供 1 1 m l p s m h z 的哈佛结构；具有全性能的m m u ，支持w 诅c e 、l i n u x 等多种主流嵌入式操 作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。a r m 9 系列处理 器包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，主要用于适应不同的市场需求 ( 3 ) a r m g e 系列处理器使用单一的处理器内核提供了微控制器、d s p 、j a v a 应用系统 的解决方案。a r m 9 e 系列处理器提供了增强的d s p 处理能力，非常适合那些需要同时使用 d s p 和微控制器的应用场合 ( 4 ) a r m i o e 系列微处理器在所有a r m 产品种具有最高的m i p s m h z 。a r m i o e 系 列处理器采用了新的节能模式，提供了“位的读取，写入体系，支持包括向量操作的满足 i e e 7 5 4 的浮点运算协处理器，系统集成更加方便，拥有完整的硬件和软件开发工具 系统的工作频率在很大程度上决定了a 蹦微处理器的处理能力a r m 7 系列微处理器的 典型处理速度为0 9 m i p s i 棚z ，常见的a p j 4 7 芯片系统主时钟为2 0 姗i z 一1 3 3 m h z ，a 蹦9 系列微 处理器的典型处理速度为1 1 m i p s 删z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 1 删z 一2 3 3 m h z ， a r m l 0 最高可以达到7 0 0 删z 。另外如果系统选用w i n c e 或l i n u x 等操作系统以减少软件开发 时间和提高系统软件的可移植性，就需要选择带有删( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的 a 删芯片 因此从处理器的工作频率、软件支持及开发成本等方面考虑，我们最终选取三星公司 a r m 9 系列嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为本设计的处理器 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器是为手持设备设计的低功耗、高度集成的微处理器，采用2 7 2 脚f b g a 1 0 第二章数字超声榆测系统硬件设计 封装，内含一个a r m 9 2 0 t 内核和如下片内外围： 九 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和1 1 丌带有触摸屏的液晶显示器) 九s d i 认m 控制器 九3 个通道的u a r t 九4 个通道的d i v i a 九4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟 九8 通道的1 0 位a d c 九触摸屏接口 九 1 2 c 总线接口 九 1 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口 九 2 个s p i 接口 九s d 接口和m m c 卡接口 x 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源 九8 通道1 0 位a d 控制器 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l 0 舻l l 和u p l l ) 的芯片 时钟发生器肝l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 姗z 这个工作频率能 够使处理器轻松运行于w i n c e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生 实现主从u s b 功能的时钟 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 组( b a i l l ) ，每组大小是1 2 8 n b ，共1 0 b a n k o 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 和s r 棚。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m ，s r 埘或s d r a m ，这两个 组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访 问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 1 8 个通用片选信号选择这些组 $ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大，比n o rf l a s h 价格低等特 点。系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比$ 3 c 2 4 1 0 具有三种启 动方式，可通过伽 1 ：0 管脚进行选择。 基于如上所述的$ 3 c 2 4 1 0 处理器的性能特点。为了缩短系统开发时间，我们选用某公 司的f s 2 4 1 0 的开发板( 如图2 4 ) 作为系统的开发平台f s 2 4 1 0 开发板的c p u 采用三星 $ 3 c 2 4 1 0 处理器，主频2 0 3 删z ，开发板上的资源包括： 九 内存6 4 m b ，rf 1 a s h 2 船( s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) ，n a n df l a s h6 伽( k 9 f 1 2 0 8 ) 九 2 个标准5 线串口 九 1 0 m 以太网口，采用的是c s 8 9 0 0 q 3 ，带传输和连接指示灯。 k 2 个u s b l 1h o s t 接口，1 个u s b l 1d e v i c e 接口( 其中一个h o s t 与d e v i c e 复 用) x 一个s d 卡接口，可接2 5 6 hs d 卡 x 一个5 0 芯l c d 接口引出了l c d 控制器和触摸屏的全部信号 第二章数宁超声检测系统硬件设计 e m b e d d e d i c e 接口和j t a g 接口，支持a d s ，s i y i 软件的下载和调试以及f l a s h 的 烧写 1 6 个按键。 图2 4f s 2 4 1 0 开发板外观 在f s 2 4 1 0 开发平台的基础上，添加其它一些外设，如l c d 显示屏、数据采集电路以及 超声发射接受电路，共同组成整个超声检测系统的硬件平台。 2 2 2 系统硬件平台 基于a r m 9 数字超声检测系统的硬件结构框图如图2 5 所示。系统以a r m 9 系列嵌入式处 理器$ 3 c 2 4 1 0 为核心，主要由超声波发射接收单元，数据采集处理单元，屏幕显示单元和 键盘控制单元和存储单元五个部分组成。系统通过棚开发板上的u s b 口连接打印机，并通 过串口、以太网口和u s b 口实现与p c 主机的通讯。 a p , m 9 开发板通过扩展总线挂载数据采集卡，并为其分配统一的地址空间数据采集卡 的内部包含一片组合逻辑信号并实现多种控制的c p l d 芯片，一个a d 转换器和一片存储器。 在c p l d 的控制之下，超声发射电路向待测物体发射超声波，得到的超声回波信号由超 声接受电路接受、调整和放大。然后由采集卡中的 d 转换器转换成数字信号并存储起来。 当采集卡中存储器的数据满时由棚芯片通过扩展总线读取采样数据，并进行压缩和处理， 最后绘制成波形显示 系统中，键盘包含测试键、增益键、声程键、+ 号键、一号键等等，共1 6 个键。每个 第二章数字超声检测系统硬件设计 键的意义与其键名一致，用于实现超声检测的不同功能 系统的实物图如图2 6 所示 图2 5 系统硬件结构图 图2 6 系统实物图 第二章数字超声检测系统硬件设计 2 3 超声发射与接收电路的设计 2 3 1 超声发射电路 超声波的频率和超声检测时的指向性以及衰减系数有着很大的关系，是提高系统检测深 度和分辨率的关键。首先超声波的频率越高，其波长就越短，能量越集中，扩散角越小，进 而指向性也越好，分辨率越高【2 0 】：同时超声波在介质传播时也会衰减，同一介质中，超声 波频率越高，衰减系数越大，超声波衰减越快，传播的距离越短。为满足毫米级的分辨率要 求，工业上超声波检测一般使用0 5 m h z 一1 5 m h z 频率的超声波 超声波发射部分的设计如下图2 7 所示： 图2 7 发射电路原理 高压产生电路用于将1 2 v 的直流电源升压到5 0 0 v 的发射高压。触发脉冲控制发射脉冲 产生电路，并激发换能器工作1 1 0 - 2 1 1 对于触发脉冲，本系统采用微分电路取出c p l d 电路送出的周期方波的下降沿，经一 级驱动放大后，得到宽度极窄的触发脉冲。微分电路结构如图2 8 ： 圃轲黜i , o 监娑1 广 l _ _ _ _ _ _ _ 工上ot j 图2 8 微分电路原理 因- r i 。- r c ( d u , d f ) h 。+ u 。 当f f 0 时，。- o ，所以“。_ h m ，随后c 充电因r c 五，充电很快，可以认为 c 。“，贝q 有 - r c ( a 。a t ) 一r c ( d u , 缸) 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分 1 4 第二章数字超声椅测系统硬件设计 即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的 宽度与r * c 有关( 电路的时间常数) ，r c 越小。尖脉冲波形越尖，反之则宽一般要求 r c 小于或等于输入波形宽度的1 1 0 2 3 2 超声波接受及调整电路 数。 超声波接收及调整电路主要作用是接受超声波的回波信号，数控调整回波信号的放大倍 a 1 设计重点： 用于数控调整的放大电路，设计一般应满足如下要求： 九 适合的中心频率，足够大的低噪声增益带宽。 九适当的响应幅值和较低的相位失真。 九 能承受高压发射输出，过载恢复快和足够的增益 九 注意消除放大器的阻塞效应 首先选择在换能器和放大器之间接入保护电路。保护电路由四个二极管两两串联后并联 组成。它可以有效地防止泄漏高压激励信号使放大器前级损坏或过载，同时也能减少阻塞时 间。 目前可软件编程的放大器主要有三种类型： ( 1 ) 集成程控增益放大器。它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带等优 点，但其增益量程有限，只能实现特定的几种增益切换。 ( 2 ) 运放+ 模拟开关+ 电阻网络这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改 变放大电路的闭环增益此种方法所需无器件较多，电路庞大，而且精度受到限制。 ( 3 ) 运放+ 数字电位器。采用固态数字电位器来控制放大电路的增益，线路简单，使 用元器件少，并且精度高。这里采用压控放大器加d a 转换器的方案实现放大器增益的可控 调节 在本设计中，超声波接受调整电路由两级6 0 d b 的压控放大器a d 6 0 3 、d a 转换器 m a x 5 3 1 、带通滤波器、检波电路和选择器m a x 3 1 9 组成。可编程压控增益放大器a d 6 0 3 是一款低噪声、高带宽、可变增益放大器，通过改变管脚间的连接，可以得到不同的增益： 增益为一1 1 d b + 3 1 d b 时，具有9 0 m h z 的带宽；增益为+ 9 d b + 5 1 d b 时，具有9 m h z 的带宽。输入噪声谱密度仅为1 3 n y 此增益精度为t0 s d b 当工作电压为t5 v 时， 功耗仅为1 2 5 m w ，最大功耗为4 0 0 m w 本系统中采用两级放大，每一级由两片a d 6 0 3 组 成6 0 d b 的增益范围，因此系统的最大增益为1 2 0 r i b 这两级放大器的增益均由一片c p l d 芯片通过d a 转换器m a x 5 3 1 控制。随后超声回波信号在经过带通滤波之后，由模拟开关 1 5 第二章数字超声检测系统硬件设计 m a x 3 1 9 选择是否检波，并最终在下一级缓冲放大器中等待a d 的采集。 b 1 电路硬件框图 超声波接受及调整电路硬件部分的框图如下如图2 9 所示： 控制信号日口超声回波信号 图2 9 回波接收调整电路的结构框图 2 4 数据采集电路的设计 数据采集电路的主要作用就是将接受到的回波信号转换为数字信号并存储。它主要由采 样器及其外围电路组成，采样时序逻辑的控制与采样数据的存储则由c p