（电路与系统专业论文）基于嵌入式系统的B扫超声波探伤系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着电子技术的飞速发展，嵌入式系统已经广泛渗透到人们生活之中。各个 领域的应用需求不断提高，对嵌入式系统设计提出了更高的要求。嵌入式处理器 与高速数字信号处理器结合是实现嵌入式系统高实时和高性能的有效手段，同 时，各种高集成的大规模可编程逻辑器件为系统的构建提供了更强的灵活性。如 何将各种高性能处理器有机的组合在一起，实现一个高性能的嵌入式应用系统是 个值得深入研究的问题。以满足实际工程需要为目的，构建一套高速、可靠的 实时嵌入式系统是本论文论证的具体问题。 本文以b 扫超声波钢轨探伤仪的设计需求为依据，在分析现有系统的优缺 点的基础上，采用a r m + d s p 双核构架和w i n d o w sc e 嵌入式操作系统结合的设 计方案，设计了一个满足项目需求的高速实时嵌入式系统平台。系统使用目前性 能最高的嵌入式处理器i n t e lx s c a l e p x a 2 5 5 和a n a l o gd e v i c e s 公司的 a d s p b f 5 6 1 作为硬件平台的高速处理核心，结合高速a d 转换器和f p g a 实 现了超声波探伤数据的高速采集和实时处理功能。充分利用a d s p b f 5 6 1 强火的 运算性能和丰富的外部接口以及f p g a 提供的灵活的逻辑实现模式，成功的实现 了b 扫超声探伤的算法和整个系统的控制。同时，提出了一种以a d s p b f 5 6 1 为核心的全新的嵌入式图形加速方案，解决了现有系统中t f tl c d 刷新频率过 低的问题。 关键词嵌入式系统：d s p ：f p g a 北京工业大学工学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mh a s b e e nu s e di np e o p l e 。sl i f ew i d e l y t h er e q u i r e m e n to fa p p l i c a t i o n sw h i c hb a s eo n e m b e d d e ds y s t e m si n c r e a s e ss oq u i c k l y , t h a th i g h e rd e m a n d sf o re m b e d d e ds y s t e m s d e s i g na r eb r o u g h te n d l e s s l y t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o ri sa l le f f e c t i v em e t h o dt oi m p l e m e n th i g hp e r f o r m a n c ea n dh a r dr e a l t i m eo f e m b e d d e ds y s t e m h o wt oc o m b i n a t ed i v e r s i f i e d p r o c e s s o r s t oc o n s t i t u t ea h i g h - p e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e ma r ew o r t ht or e s e a r c hd e e p l y t h em a i np u r p o s e o ft h i sp a p e ri st od e m o n s t r a t eh o wt oc o n s t r u c th i g h s p e e d ，h a r dr e a l t i m ea n dh i g h p e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e mf o rd e m a n do f t h ep r a c t i c a lp r o j e c t a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fb t y p es c a n n i n gu l t r a s o n i cf l a w - d e t e c t o r , b a s e o na n a l y z i n gt h eo r i 昏n a ls y s t e m ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dap l a t f o r mo fh i g h - s p e e d a n dr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e mu s i n gt h es c h e m e ，w h i c hc o m b i n e sd s p a r m f r a m e w o r k 、v i mw i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h ea u t h o ri m p l e m e n t st h e f u n c t i o no fh i 曲一s p e e dd a t aa c q u i s i t i o na n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n go nu l t r a s o n i c f l a w - d e t e c t o rw i t hh i g h - s p e e da dc o n v e r t o ra n df p g a ，u s i n gt h eh i g h e s t p e r f o r m a n c ei n t e lx s c a l e p x a 2 5 5e m b e d d c dp r o c e s s o ra n da d l l sa d s p b f 5 6 1a s t h eh i g h - s p e e dp r o c e s s i n gc o r eo fh a r d w a r ep l a t f o r m f u l l yu s i n gt h e p o w e r f u l c a l c u l a t i o n a lc a p a b i l i t ya n da b u n d a n te x t e r n a li n t e r f a c eo fa d s p b f 5 6 1a n df l e x i b l e l o g i ci m p l e m e n t a r yp l a n sp r o v i d e db yf p g a ，t h ea u t h o ra c h i e v e st h ea r i t h m e t i co f t h e b - - t y p es c a n n i n gu l t r a s o n i cf l a w - - d e t e c t o ra n dt h ec o n t r o lo ft h ee n t i r es y s t e m s u c c e s s f u l l y b yu s i n ga d s p b f 5 6 1a st h ec o r ep r o c e s s o r , t h ea u t h o ri m p l e m e n t sa n e ws o l u t i o no ft h eg r a p h - a c c e l e r a t i n gf o rt h ee m b e d d e ds y s t e m ，s o l v e st h ep r o b l e m o f t h et f tl c d l o w r e f r e s h i n gr a t e k e yw o r d e m b e d d e ds y s t e m ；d s p ；f p g a - h 独创性声明 本人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a 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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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守此规定) 签名：翌型导师签名：迄：! 塾日期：堕兰：翌 第1 章绪论 1 1d s p 技术以及d s p 处理器的发展 数字信号处理( d s p ) 自1 9 6 5 年由c o o l e y 和t u k e y 提出d f t ( 离散傅早 变换) 的高效快速算法( f o u r i e rt r a n s f o r m ，简称f f t ) 以来，已有近4 0 年的历 史。随着计算机和信息技术的发展，数字信号处理技术已形成一门独立的学科系 统。数字信号处理作为一门独立学科是围绕着三个方面迅速发展的：理论、现实 和应用。作为数字信号理论，一般是指利用经典理论( 如数字、信号与系统分析 等) 作为基础而形成的独特的信号处理理论，以及各种快速算法和各类滤波技术 等基础理沦。由此在各个应用领域如语音与图象处理、信息的压缩与编码、信号 的调制与调解、信道的辨识与均衡、各种智能控制与移动通讯等都延伸出各自的 理论与技术，到目前可以说凡是用计算机来处理各类信号的场合都引用了数字信 号处理的基本理论、概念和技术。 数字化技术有今天的飞速发展，是依仗于强大的软、硬件环境支撑。作为数 字信号处理的一个实际任务就是要求能够快速、高效、实时完成处理任务，这就 要通过通用或专用的数字信号处理器来完成。因此，数字信号处理器是用来完成 数字信号处理任务的一个软、硬件环境和硬件平台。 1 1 1d s p 算法及芯片分类 d s p 运算的基本类型是乘法和累 j t 3 ( m a c ) 运算，对于卷积、相关、滤波和f f t 基本上都是这一类运算。这样的运算可以用通用机来完成，但受到其成本和结构 的限制不可能有很高的实时处理能力。 d s p 运算的特点是寻址操作。数据寻址范围大，结构复杂但很有规律。例 如f f t 运算，它的蝶形运算相关节点从相邻两点直至跨越n 2i b j 隔的地址范围， 每次变更都很有规律，级阁按定规律排列，虽然要运算l o g ，n 遍，但每级的地 址都可以预测，也就是寻址操作很有规律而且可以预测。这就不同于一般的通用 北京工业大学t 学硕士论文 机，在通用机中对数据库的操作，具有很大的随机性，这种随机寻址方式不是信 号处理器的强项。 可以看出无论是专用的d s p 芯片或通用d s p 芯片在结构考虑上都能适应 d s p 运算的这些特点。而专用芯片在结构上考虑的更加专业化，更为合理，因而 有更高的运算速度。 d s p 芯片按用途或构成分类可以分为下列几种类型：为不同算法而专门设 计的专用芯片：例如用于做卷积相关并具有横向滤波器结构：i n m o s 公司的 a 1 0 0 、a 11 0 ；h a r r i s 公司的h p s 4 3 1 6 8 ；p l e s s yg e c 公司的p d s p l 6 2 5 6 等。用于做f f t ： a u s t e k 公司的a 4 11 0 2 ，p l e s s yg e c 公司的p d s p l 6 1 5 0 等。这些都是为做f i r 、i i r 、f f t 运算而设计的，因而运算速度高，但是具有有 限的可编程能力，灵活性差。 为某种目的应用的专门设计系统，即a s i c 系统。它只涉及一种或一种以上 自然类型数据的处理，例如音频、视频、语音的压缩和解压，调制，解调器等。 其内部都是由基本d s p 运算单元构建，包括f i r 、i i r 、f f t 、d c t ，以及卷积 码的编解码器及r s 编解码器等。其特点是计算复杂而且密集，数据量、运算 量都很大。 积木式结构：它是由乘法器、存储器、控制电路等单元逻辑电路搭接而成， 这种结构方式也称为硬连线逻辑电路。它是一种早期实现方法，具有成本低、速 度高等特点，由于是硬连接因而没有可编程能力。目前主要用于接收机的前端某 些高频操作中。 用f p g a ( 现场可编程陈列) 实现d s p 的各种功能。实质上这也是一种硬 连接逻辑电路，但由于有现场可编程能力，允许根据需要迅速重新组合基础逻辑 来满足使用要求，因丽更加灵活，而且比通用d s p 芯片具有更高的速度。一些 大的公司如x i n l i n x 、a l t e r a 也正把f p g a 产品扩展到d s p 应用中去。 通用可编程d s p 芯片：这是目前用锝最多的数字信号处理应用器件。 片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，这是数字化应用及微电子技术迅速发展的产 物，是下一代基于d s p 产品的主要发展方向之一。它把一种应用系统集成在一 个芯片上或有机的结合在一个系统中。通常，为满足系统的性能要求和提高功率 效率，会把d s p 和m c u 的多处理器处理平台集成在一起。 1 1 2 d s p 处理器的特点 d s p 处理器的着眼点是要求速度快、处理的数据量大、效率高。但是单纯提 高时钟速度受到工艺等各种因素的限制，一般是缓慢的，所以必须从结构上着手。 某些概念其实在二十世纪4 0 年代已经出现：其一是改造处理器的处理方法，用 多总线、多存储器体系结构；其二是提高程序和数据流的速度，采用流水线，并 行处理等方法。尽管不同厂商采用不同的技术和措施，但在这些方面都有共同点。 以下就d s p 芯片一些特点来作说明。 采用哈佛( h a r v a r d ) 结构和改进的哈佛结构 主要出于成本的考虑，通用机采用冯诺依曼( v o nn e u m e n n ) 结构，把指令、 数据、地址的传送采用同一条总线，靠指令计数来区分三者。由于取指和存取数 据是在同一存取空间通过同一总线传输，因而指令的执行只能是顺序的，不可能 重叠进行，所以无法提高运算速度。 d s p 处理器几乎毫无例外的采用哈佛结构，哈佛结构把程序代码和数据的存 储空间分开，并有各自的地址和数据总线，每个存储器独立编址，用独立的一组 程序总线和数据总线进行访问。 如果程序代码存储空间与数据存储空间之间还可以进行数据交换，则称为改 进的哈佛结构。这种结构可以并行进行数据操作。例如在做数字滤波时把系数放 在程序空间，待处理的样本数据放在数据空间，处理时可以同时提取滤波器系数 和样本进行乘法和累加操作，从而大大提商运算速度。改进哈佛结构还可以从 程序存储区来初始化数据存储区，或把数据存储区的内容转移到程序存储区，这 样可以复用存储器，降低成本，提高存储器使用效率。 多总线结构 例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 结构中有一组程序总线( p bp a b ) ，两组读数据总线( c b c a b ) 、( d bd a b ) ，和组写数据总线( e be a b ) ，这样可以同时读取两 组数据和存储一组数据，即同一时钟周期内可以执行一条3 个操作的指令。这种 附加总线和扩充地址增加数据流量，提高寻址能力。 采用流水线操作 北京工业大学工学硕士论文 计算机在执行一条指令时，要通过取指、译码、取数、执行等各阶段。由于 d s p 哈佛结构指令的各个阶段可以重叠进行，这样对每一条指令似乎都是在一个 周期内完成，可以把指令周期减到最小，增加数据吞吐量。 硬件乘法器和高效的m a c 指令 在d s p 算法中，乘法累加操作是大量的运算。因而d s p 芯片都有硬件乘法 器，使得乘法运算做到一个周期内完成。与之配合的指令为m a c 乘法累加指令， 它可以在单周期内取两个操作数相乘，并将结果加载到累加器。有的d s p 还具 有多组m a c 结构，可以并彳亍处理。 独立的传输总线及其控制器 处理器高速处理速度必须与高速的数据访问和传输相配合。而且为不影响 c p u 及其相关总线的工作，d s p 的d m a 单独设置了传输总线及其控制器，因此 d m a 可以独立工作。 为了提高d s p 的实时处理能力，有时把多个d s p 组成d s p 处理器阵列，并 行工作，此时d m a 成为各处理器之间进行数据传输的主要通道。 专用的数据地址发生器( d a g ) 在d s p 运算中，存储器的访问具有可预测性。例如在f i r 滤波中，样本、 系数都是顺序访问的，因此在d s p 芯片中专门设置数据地址发生器。其实它也 是一个a l u 单元，具有简单的运算能力。在通用机的c p u 中，数据地址和数据 处理都由同一a l u 完成。例如在8 0 8 6 中，做一次加法需要三个周期，而计算一 次地址需要5 周期，这样会耗费大量的时间。在d s p 芯片中就不需要这样的 额外开销。另外在d s p 芯片的数据地址产生中还支持间接寻址、循环寻址、倒 位寻址等特殊操作，以适应d s p 运算的各种寻址需求。 丰富的外设( p e r i p h e r a l s ) d s p 处理器往往是脱机独立工作，因此为与外设接口方便，往往设置了丰富 的周边接口电路。 时钟产生器( 振荡器与锁相环p l l ) ： 定时器( t i m e r ) ： 软件可编程等待状态发生器，以便使较快的片内设施与较慢的片外电路及存 储器协调工作： 第1 荦绪论 通用的i o 口； 多通道同步缓冲串口( m c b s p ) 和异步串口； 主机接口( h i p ) j t a g 边界扫描逻辑电路( i e e e 标准11 4 9 1 ) ，便于对d s p 处理器做片上 在线仿真和多处理器情况下的调试。 具有片内存储器 d s p 芯片片内一般带有存放程序的只读存储器r o m 和存放数据的随机存储 器r a m ，符合d s p 运算简单、核心程序短小的特征，同时可以提高指令传输效 率，减小总线接口压力。并且它不存在与外部总线竞争和访问外部存储器速度不 匹配的问题，这样使d s p 处理器具有强大的数据处理能力。 与结构相配合的采用i u s c 指令集 一般d s p 处理器具有高度专门化、复杂虽不规则的指令集，这样单个指令字 可以同时控制片内多个功能单元操作。d s p 处理器指令集在设计时有两个特点： 其一是最大限度的使用了处理器的硬件资源，因此往往是在单个指令中并行完成 若干操作。例如在完成主要算术运算的同时，并行地从存储器提取一个或两个数 据以及完成地址指针的更新。其次是指令所使用的存储空间减到最小，为缩短指 令字长，往往用状态寄存器的模式来控制处理器的操作特性，例如舍入或饱和的 处理，而不再将这些信息作为指令的一部分来处理。 由于传统d s p 芯片指令集的高度专门化及多功能操作使它难以用高级语言 编译，所以一般c 编译效率不高。另外c 语言也不适合用来描述这种多存储空 间、多组总线、高度专门化结构的硬件系统，这些都是导致用c 编译传统d s p 处理器效率不高的原因。 综上所述d s p 处理器实现高速运算的主要途径可以概括为：具有硬件乘法器 及乘力口单元；高效的存储器访问；零开销循环；专门的适应硬件结构的指令集： 多执行单元：数据流的线性i 0 口。 当今d s p 之所以可以在嵌入式应用方面挑战微处理器c p u ，在数字控制方 面可挑战单片机m c u ，还在于d s p 结构体系已实现多样性。d s p 既有追求高性 能并行结构，也有追求低功耗的省点核心；d s p 中不仅可以集成闪存、数据转换 器和多种接口，还可以集成c p u 核心、视频和音频接口。软件可编程性始终是 北泉工业大学t 学颅l 论立 d s p 市场拓展的关键。目前d s p 开发工作中的8 0 以上已是软件工作。数字信 息产品中需要应用到许许多多新的技术和标准，其中不少需要经过不断完善。 d s p 首先可以构建一个强大灵活的硬件平台和软件基础，然后集成各种软件，其 中可以包括标准算法、驱动、协议和应用等等。d s p 软件还易于维护和升级，大 量工作可以在线实现。d s p 的应用已经涵盖了工业、通信、娱乐、令人医疗、教 育、环境控制、安全等领域，我们期待着更多更好的应用。将来的人们对具有 d s p 核心的数字信息产品大概会情有独衷，因为d s p 会创造更多的价值。 1 2d s p 器件为核心的嵌入式系统技术 嵌入式系统实际上就是一个集成化的计算机系统。随着信息技术的发展，应 用领域还对嵌入式系统提出了网络化功能这就促使嵌入式系统向着更高的集成 化方向发展。 嵌入式系统的发展，主要体现在芯片技术的进步，以及芯片技术限制下的算 法与软件的进步上。对于嵌入式系统来说，核心是具有数据处理和系统管理能力 的计算机系统，因此，只要是以处理器系统为核心的器件，都可以形成嵌入式系 统。这就是说，使用具有强大数据处理功能的d s p 器件也可以组成一个嵌入式 系统，并且可以充分发挥d s p 器件在数据处理方面的优势，改善嵌入式系统的 实时操作特性。 所谓d s p 嵌入式系统，实际上就是把d s p 系统嵌入到应用电子系统中的一 种通用系统。这种系统具有d s p 系统的所有技术特征，同时还具有应用目标所 需要的技术特征。d s p 嵌入式系统不再是一个专用的d s p 系统，而是一个完整 的、具有多任务和实时操作系统的计算机系统，以这个计算机系统为基础，可以 十分方便她开发出用户所需要的应用系统。 d s p 器件是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实 时快速地实现各种数字信号算法处理。按数据格式划分，d s p 器件可以分为定点 和浮点两种。 从上文中提到的d s p 器件的上述技术特性可以看出，以d s p 器件为核心的系统 具有如下几个主要技术特点： 数据处理速度快。具有良好的可编程实时特性。 第1 章绪论 硬件软件接口方便，可以十分方便地与其它数字系统或设备相互兼容。 开发方便，可以灵活地通过软件对系统的特性和应用目标进行修改和升级。 具有良好的系统健壮性，受环境温度以及噪声的影响较小、可靠性高。 易于实现系统集成或使用s o c 技术，可以提供高度的规范性。 如果不考虑用户应用电路，则d s p 嵌入式系统就可以形成一个独立的通用高 速数据处理系统，这个高速数据处理系统不仅具有数据处理、可编程开发和多d s p 并行应用的特点，还具有强大的网络功能，可以完全满足信息网络的技术要 求。 在一个d s p 嵌入式系统和p l c 形成的工业控制体系结构中，如果d s p 嵌入 式系统的资源不能满足系统要求时，可以采用附加d s p 系统或增加一个完整的 d s p 嵌入式系统的方法加以解决，而不需要从系统结构上进行大的改动。 d s p 嵌入式系统最重要的技术特性就是具有相当强大的数据处理功能，从现 代信息技术角度看，在系统中嵌入d s p 的目的，就是为了增强系统的信息处理 能力。因此，d s p 嵌入式系统与徼处理器嵌入式系统在应用特性上有很大的不同。 为了提高系统的数据和信息处理能力，d s p 嵌入式系统可提供许多重要的数 据处理算法，其中一个重要的内容就是并行算法。这里的并行算法包含软件和硬 件两个方面的概念。从软件的角度看，在使用微处理器的嵌入式系统中，并行算 法的实现往往比较复杂，而对于d s p 嵌入式系统，由于系统中d s p 器件中采用 的哈佛结构、浮点运算以及并行乘加运算，所以可比较容易地实现并行算法和一 些并行系统操作的软件编程。从硬件角度看，d s p 器件的多总线结构和片内d m a 电路与局部总线，为并行算法与并行操作提供了硬件支持。 使用嵌入式系统的一个重要目的，就是要用简单的方法和技术实现复杂的系 统。凭借d s p 强大的数据和信息处理功能，使其具有直接处理终端信号和信息 的能力，因此，在d s p 嵌入式系统中，可以直接利用d s p 系统处理某个p l c 测 量的模拟信号，或者直接处理一组p l c 采集的逻辑信号所携带的控制信息。这 样就能大大降低对p l c 的要求，即充分利用d s p 嵌入式系统资源、提高系统的 性能和技术指标，又可以降低系统的整体成本。 嵌入式系统已经与s o c 技术融合在一起，成为新一代信息技术的基础。嵌 入式系统中可以采用微处理器、单片机或d s p ，其中d s p 嵌入式系统不仅具有 北京工业大学工学硕士论文 其他微处理器和单片机嵌入式系统的优点和技术特性，而且还可使用并行算法操 作，具有高速数字信号处理的能力，为实现系统的实时性提供了有力的支持。 与传统的单片机系统( 即单板机、p c 机等) 相比较，嵌入式系统更有利于网络应 用和智能系统应用，由于嵌入式系统可以实现单片化，因此使得嵌入式系统几乎 可以用于任何一种数字系统应用场合。嵌入式系统，特别是d s p 单片机系统已 经成为现代电子技术、计算机技术和信息网络技术的重要支柱。 1 3 本课题研究的内容 本论文的研究以b 扫超声波钢轨探伤仪项目为背景，以d s p a r m 双核构架 和w i n d o w sc e 嵌入式操作系统结合的设计思路，提出一套满足项目需求的高速 实时嵌入式系统应用平台。在现有平台的基础上，重点研究提高d s p 部分性能 的方案，提出新的显示驱动模式，改进整个系统的组织结构，开发工作包括以下 部分： 1 完善以新一代高性能处理器i n t e lx s c a l e 为核心的系统控制电路硬件电路 设计，实现大容量存储器、t f t l c d 以及触摸屏、串口和网络接口等实 现探伤波形显示、存储、传输、打印等功能： 2 提出全新的高速信号采集处理系统的解决方案，将d s p 与f p g a 相结合， 实现多通道超声波信号的高速采集、实时压缩和分析；并实现对前端模 拟电路的控制( 如激励脉冲的产生、通道切换、运动方向判断等) 。 3 给出系统中各个处理单元之间的高速数据传输方案，并予以实现。 4 以高性能d s p 处理器为核心，研究并实现全新的嵌入式系统的图形显示 加速方案。 ! ，。 。：，：，。，。，茎耋。耋，。堡至鲨堡! ! 望耋尘堡鐾，。! ，。，。， 第2 章超声波探伤的基本原理 钢轨超声波探伤是用于检测钢轨中是否存在缺陷的无损检测设备，主要检测 钢轨中的疲劳裂纹等危害性缺陷，及时发现缺陷，避免断轨等事故的发生。 2 1a 扫超声波探伤的基本原理 利用超声波在钢轨中传播的原理，当脉冲超声波在钢轨中传播时，如存在裂 纹等形式的缺陷，声波遇不同的介质将产生反射回波，依据回波即可判断出钢轨 中是否存在缺陷。其a 型反射式超声波探伤仪的工作过程如下： 由数字电路产生的宽度小于l o o n s 的电脉冲触发模拟发射电路产生高压电 脉冲，激励压电陶瓷晶片生成高频超声波( 通用仪器的超声波的频率范围为 5 0 0 k - - 1 0 m h z ，在b 扫超声探伤系统中使用的是2 m h z 或2 5 m h z 或4 m h z 的品 片) ，声波经探头中的楔块，通过耦台剂传入被检测的工件中，产生折射( 这翠 折射后的超声波主要是横波，这种探头叫斜探头，一般直探头没有楔块，它使用 一层刚玉保护膜保护晶片) 声波按照一定的折射角在被检工件中定向传播，如果 遇到与传播方向垂直的断面即产生反射( 有一定角度的将产生折射，此时不会有 声波反射) ，反射回波经楔块被压电陶瓷晶片接收产生电振荡信号，此信号经模 拟电路的放大衰减网络( 放大衰减网络受控于数字电路，从而产生合适的放大倍 数) ，经检波电路检波，传给采样保持电路对信号进行采样保持产生数字化的回 波信号，此数字信号经数据处理电路进行滤波和压缩生成定长的数字信号，由软 件把数据传送给显示电路或显示器以波形的形式显示出来，同时经软件查询看是 否存在缺陷( 仪器被人工设定门限和固定查询位置范围进行查询) ，如果有缺陷 给出报警信号。如果需要经人为控制还需把原始数据存储在存储模块中以备以 后回放、查询、打印探伤报告和计算机转储用( 一般仪器可以存储几百幅的回波 数据，存储模块需要有掉电保护) 。 2 2b 型扫查超声波探伤仪的基本原理 b 型扫查超声波探伤仪的工作原理如同医用的b 超，它需要使用线探头，所 谓的线探头是由单探头组成的在一条直线上的探头阵列，声波发射出去后如同一 个切面，不同深度下的回波以不同的颜色或荻度表示，这样就如同在工件或人体 组织中有一个切面图一样。工业用b 型扫查超声波探伤仪不能使用线探头，主 要是工件的几何形状和耦合问题限制了线探头的使用，因此只能使用单探头模拟 线探头工作。 一般b 型仪器都保留a 型仪器的功能。b 型仪器的发射接收过程和a 型仪 器完全相同，b 型扫查是把每一次发射的a 扫的回波数据记忆起来，需要记忆 的发射次数依据设计者的设计而定。这样把多次发射接收的回波数据综合起来就 好象是一个线探头在工作一样。要求发射电路必须按照探头移动的定长距离发射 超声波，这样每次回波的间距才能保证定长等间距，进而形成的图形才能不失真。 在b 型仪器中，图形区的横坐标表示探头在工件上移动的距离，纵坐标代表声 波在工件中传播的深度。每次接收到的回波在其中有数据的位置找出每个波的最 大点的位置于显示器的相应纵坐标的位置横向画一个或几个点( 在b 型显示中， 纵坐标的零点在上面。) ，下次回波的点紧接着前次回波的点画，当屏幕画满时， 图形依据探头的移动方向前后移动。系统中有是六个通道，其中有一个通道是用 于监测所有探头的耦合效果的，其他五个通道是探伤用的。在b 扫超声波探伤 系统中，六个通道是分时工作的，全系统只使用一套数字电路和模拟电路，系统 发射激励探头的脉冲，同时采样1 8 5 微秒的数据，然后给出探头转换信号，使六 只探头形成循环。每只探头的数据分别处理，形成a 扫数据和b 扫数掘，在画 波或画图时，每个通道的数据分别用不同的颜色表示。 ，。，。，。；。，。：。，薹三茎j 塞至婆堡丝塑茎耋量些，。，：，。，。， 2 3 系统需求分析 b 扫探伤设备具有以下几个主要功能： ( 1 ) 校准功能 主要包括： 灵敏度校准：超声波探伤是比较法探伤，探伤之前必须对仪器进行灵敏 度校准，确定仪器的探伤灵敏度。 声速校准：各种材料的超声波的传播速度是不一样的，在探伤时必缬检 测欲探工件的超声波的传播速度，以便判断损伤和缺陷的位置。 零点校准：零点是指超声波在晶片发射出来之后在工件的入射起始点。 由于探头中有刚玉保护膜或楔块，因此必须把超声波在这一部分中传播 的距离去掉，所得到的声程才是准确的距离。 斜探头折射角校准：一般情况下，斜探头在出厂时都给出折射角度。但 由于工件的材质和探头使用过程中的磨损，这个折射角度不一定准确， 因此在使用之前，一般都需要进行折射角的校准。 ( 2 ) 参数输入 在仪器校准和探伤时，需要输入一些必要的参数它们是斜探头折射角度、探 头频率、探头前沿、声速、校准参数、工件厚度、坐标等 ( 3 ) 读数功能： 在a 扫时，操作者有时需要读取某一个回波中某一点的横坐标的数值，因此 仪器应该设计带有读数功能。 ( 4 ) 峰值搜索 所谓的峰值搜索就是软件帮助操作者在扫查状态下确定最高回波的具体位 置，这个位置是指探头在工件上或在试块上应该产生最高回波的位置。 ( 5 ) 闸门功能： 数字仪器由于使用微处理器处理采样后量化的数字信号，因此为了方便于探 伤和调节仪器，可以增加很多功能，闸门功能就是其中的一项。所谓的闸门 功能就是在全声程范围内界定一个区域，在闸门内的区域j 是操作者在当时 情形下真正感兴趣的范围。闸门可以上下左右移动，也可以改变其宽度。一 北柬工业大学工学硕士论文 宽度。一般软件应该在闸门内查找回波最高点，有时需要软件调节灵敏度以 使最高点的波高达到波形区满高的8 0 。 ( 6 ) 通道选择 校准时只能一个一个通道进行，因此仪器必须具有通道选择功能。 ( 7 ) 自动增益 自动增益功能是为了方便操作者在校准或探伤时( 单通道显示) 调节灵敏度 而设计的，在接受操作者的指令后使闸门内最大回波自动达到满刻度的8 0 。 ( 8 ) 灵敏度调节 无论是在校准时，还是在探伤时都需要随时调节灵敏度因此仪器的灵敏度必 须可调。 ( 9 ) 轨型选择 由于钢轨型号不同，钢轨的几何尺寸也就不同，超声波的探测声程也就不同， 因此，探伤时必须有操作者选择欲检测钢轨的型号，保证在相应的条件下进 行探伤。 ( 1 0 ) 数据存储 探伤时如果发现缺陷，需要把原始数据存储在仪器中，以备打印报告和给计 算机传输用。 ( 1 1 ) 报告打印 探伤人员在发现缺陷之后都需要做记录和给出探伤报告，因此我们在设计仪 器时应根据铁道部统一格式能够打印探伤报告。 ( 1 2 ) 缺陷查询 为了方便探伤人员对所发现的缺陷的原始记录进行查询，仪器设计时，必须 具有查询功能。 ( 1 3 ) 数据传输 把探伤仪中的原始探伤数据和相应的参数传输给计算机，以方便于探伤管 理。 ( 1 4 ) a 扫探伤 ( 1 5 ) b 扫探伤 ( 1 6 ) 报警功能 第2 荦超声波搽协的桀奉原理 通过以上基本原理、功能需求以及实际使用需要可以得出b 扫超声探伤设 备满足以下几点要求： 对6 个探头进行轮讯高速采样，采样率要大于3 0 mb y t e s s 。 对采集得到的海量数据进行压缩，并按照一定的算法进行处理。 应能按照不同探测对象的要求对数据采集和处理的各种参数进行灵活的调 整和控制。 用6 4 0 * 4 8 0 的t f t l c d 显示处理后的有用数掘，为用户提供有效且可靠的 探伤信息。 能按用户需要将有用的探伤数据进行压缩存储。 适合野外长时间作业，降低系统的功耗。 从以上分析可以看出，一个b 扫超声探伤设备要完成海量数据采集、处理、 显示，同时耍根据用户的操作完成各种参数的修改以及数据的存储，运行操作系 统来完成多种任务的调度。 b 扫超声波钢轨探伤仪需要每隔2 m s 进行一次6 通道轮循采样。也就是说在 2 m s 内系统需要对5 5 5 6 6 = 3 3 3 3 6 个数据进行采样、压缩，并对压缩后的3 0 7 2 个数据进行复杂计算分析，并且判断钢轨是否有损伤，同时将数据以a 扫波形 的方式显示出来。通过多组a 扫数据组合分析，最后得到b 扫图形。由于每个 通道采样时间为1 8 5 u s ，6 个通道采样时间共用去1 8 5 u s 6 = 1 1 l m s ，因此系统只 剩下8 9 0 u s 的时间用来实现以上所有操作。对于一个产品设计束说，考虑到以后 算法改进和系统扩展，设计通常需要留有3 0 的余量。因此，系统需要在短短的 6 8 0 u s 的时间内完成全部处理。因此，b 扫超声探伤设备对整个系统的要求是相 当高的。由于野外作业的需要，不可能使用普通的p c 机或通用的工控机来完成 b 扫超声探伤的功能。只有使用嵌入式系统爿能满足便携设备的需要。但单一的 嵌入式处理器，以事物型任务处理见长的a r m 处理器在海量数据处理上很难满 足b 扫超声探伤设备的要求，而数据处理功能强大的d s p 处理器在实现多种任 务的调度，文件系统的管理以及操作系统的运行方面又显得能力不足。a r m 处 理器和d s p 处理器协同工作的系统才是b 扫超声探伤设备的理想解决方案。 2 4 小结 通过前面的分析讨论，b 扫超声探伤系统应依照a i l m + d s p 的多处理器构架， 充分发挥其各自的特长，保证整个系统的高速性、实时性、低功耗性。在系统中， a r m 处理器运行操作系统，完成任务调度和文件管理，d s p 作为数据处理的协 处理器，完成数据处理的功能。按照实际需要合理设计两个处理器的交互方式， 尽量减小数据交换量，提高系统的工作效率。同时应该考虑整个系统的成本问题， 使用高性价比的芯片。 第3 章总体方案畿计 第3 章总体方案设计 根据以上分析，b 扫超声探伤系统可分为以下几个模块 模拟数据采集模及模拟前端控制块 数据处理模块 系统控制模块 3 1 模拟数据采集及模拟前端控制模块 模拟数据采集模块及模拟前端控制模块负责将超声波回波数字化，并通过发 送控制信号来完成通道的切换、灵敏度的调节以及自动增益的控制。 3 i 。1 模拟数据采集模块 模拟数据的数字化通过模数( a d ) 转换器完成。本系统要求采样率大于 3 0 m h z ，同时，为了满足便携设备的需要，要求a d 转换器的功耗较低，所以要 使用高速低功耗的a d 转换器。 3 1 2 模拟前端的控制模块 模拟前端的控制可以有两种实现方法，一是由d s p 在进行数据处理的同时来 完成模拟前端的控制工作，二是使用可编程逻辑器件。由d s p 直接完成的优势 在于可以节约硬件成本。其缺点也很明显：首先d s p 的数据处理任务比较重。 要在数据处理的同时完成大量的控制工作是有一定困难的；其次，模拟前端的控 制主要是通过对一些模拟开关以及模拟多路选择器的控制完成的，对这类器件进 行操作要使用d s p 大量的g p i o 来实现，而大多数d s p 的g p i o 资源都比较紧 张，不能满足需求。随着半导体技术的发展，各种大规模可编程逻辑器件的价格 越来越低，使用一个可编程逻辑器件可完成大量的分立逻辑器件完成的工作， 片大规模可编程逻辑器件可替代几十甚至几千块分立逻辑器件，且体积较分立元 件要小的多。目前应用比较广泛的可编程逻辑器件主要有两种，分别是扩展型 北京工业大学工学硕士论文 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd v i c e ) 和与标准门阵列类似的f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及 适用范围宽等特点。使用可编程逻辑器件完成模拟前端控制的工作，在增加很小 一部分硬件成本的基础上获得了很大的设计灵活性可方便性，在很大程度上解放 了d s p ，使d s p 能更好的完成数据处理的工作。由于本系统中使用的模拟前端 控制逻辑比较复杂，而且使用了大量的状态机等时序逻辑，c p l d 的内部资源不 能满足需要，所以本系统中使用f p g a 来完成模拟前端控制的工作。 3 2 数据处理模块 数据处理模块可分为数据预处理模块以及探伤算法实现模块。数据预处理模 块模块主要负责对大量采集到的模拟数据进行压缩，完成降采样率的功能。探伤 算法实现模块主要完成a 扫和b 扫探伤算法，从压缩后的采样数据中获得有效 的探伤信息。 3 2 1 数据预处理模块 前面提到了在模拟前端控制模块内使用了f p g a 芯片。实际上，不但可以用 f p g a 完成模拟前端的控制功能，还可以在其中加入数据压缩模块来完成数据的 预处理，不必将大量的采样数据传给d s p ，让d s p 完成压缩功能。f p g a 协处 理器可使f p g a 与控制或d s p 处理器紧密整合在起，因此可以分担一部分算 法处理任务。当算法的主要数据流驻留于f p g a 或相关存储器上时，这种整合的 运行效果最佳。f p g a 协处理器通过直接存储器访i h 日( d m a ) 接口与基于处理器的 系统整合在一起。运行于嵌入式处理器上的软件层为每个协处理器提供一个应用 接口，每个协处理器都有一个初始化例程，可以通过正确的应用协处理器加载 f p g a 。在应用程序初始化后，软件就调用协处理器控制参数、时序和数据流进 出协处理器。根据不同标准，在f p g a 协处理器和控制处理器之间可能会有高等 级的交互，也可能f p g a 协处理器完全独立工作。在这种情况下，控制处理器只 是简单地加载算法。然后就处于独立运行状态。f p g a 的可编程功能需要一个定 义完善的系统接口才能实现，通常f p g a 会有多个接口连接控制器、存储器及其 第3 章总体方案设计 它外围器件或连接器。f p g a 可能同时包含多个协处理器，这些协处理器共享一 个连接控制处理器的接口。每个外围器件或协处理器可以拥有额外的总线用于高 性能数据流处理。 使用f p g a 来完成数据的压缩，在合理设计f p g a 内部逻辑的情况下可以在 数据采样的同时完成数据的压缩，这样可以大大节约因数据传输和数据压缩带来 的时间开销，为探伤数据的进一步处理争取更多的时间。 3 2 2 探伤算法实现模块 探伤算法的实现在d s p 中完成。正如上文所提到的，d s p 大多采用哈佛 ( h a r v a r d ) 结构和改进的哈佛结构，集成高速乘法器和逻辑运算单元，采用多 级流水线结构，内部有多条总线，具有强大的数据处理能力，可以在系统要求的 时间内完成a 扫和b 扫的算法。因此使用d s p 处理器完成探伤算法是非常理想 的选择。 3 3 系统控制模块 整个系统的控制工作可以认为是一种对大量事物型任务的处理工作。a r m 处理器在在这方面有着得天独厚的优势。 同时，用d s p 处理器( 而不是a r m 处理器) 将一些必要的参数传送给模拟 前端的控制模块( f p g a ) ，d s p 处理器也完成一部分系统控制的工作。这样做 的好处是，a r m 处理器在探伤开始之前和探伤过程中将参数传给d s p 处理器， d s p 处理器再对f p g a 进行配置，系统中的主要芯片都采用单线交互的方式， 可以简化系统的结构，方便系统的调试与升级。 3 4 系统的实现方案 3 4 1 原有的方案 模拟数据i 【采集模块 l 模拟电路 的控制及 模拟数据 的采集 f i