（信号与信息处理专业论文）基于arm的超声探伤检测系统的设计.pdf

基于a r m 的超声探伤检测系统的设计 摘要 超声探伤是工业领域中应用于设备设施缺陷识别的主要技术手段。常用的主要技术 是衍射时差法( t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ，t o f d ) ，它是一种依靠从缺陷的内部结构的端 角和端点处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。上个世纪末期，t o f d 检测技术在国外 工业无损检测领域得到广泛的发展及应用。近年来，我国也在大力的推广该技术以促进 工业的发展。许多企事业单位及老工业单位己开始使用t o f d 检测代替原来的r t 检测 技术，在大型厚壁设备容器的现场组焊安装和检测方面也有了长足的进展。 本文根据项目需求，结合超声探伤常用的t o f d 方法，设计了一套基于a r m 的超 声探伤检测系统。该系统可以实现将超声探伤检测出的数据进行处理和存储，以便后续 的数据分析工作。此系统可以利用所检测数据，分析计算出缺陷方位的x 轴，y 轴，z 轴的坐标信息并进行缺陷的绘图操作，最终将图形显示在l c d 屏幕上。 本论文主要阐述了基于a r m 的超声探伤检测系统的设计，主要包括硬件设计和软 件设计。首先，根据系统功能需求，对系统总体框架结构进行了介绍。从系统所实现的 功能，系统的结构以及系统的工作原理三个方面，确定了系统的整体设计架构与设计思 路。然后，对系统的硬件设计部分迸q ? t 详细的说明，主要涉及各个接l 1 部分的原理图 设计以及整体的p c b 设计与制作流程。整体硬件体系结构分为核心板和扩展板，核心 板具体内容包括：a r m 系统常用模块的设计，s d r a m 和f l a s h 接口设计，c f 卡接 口设计，h p i 接口设计；扩展板具体内容包括：调试扩展板设计和l c d 扩展板设计。 最后，介绍了基于l i n u x 操作系统的嵌入式软件设计。主要包括：b o o t l o a d e r 的设计与烧写，内核的裁剪与移植，l i n u x 根文件系统的制作，各接口模块的驱动程序 设计与编写。 关键词：超声探伤；a r m ；p c b ；l i n u x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 ni st h em a i nt e c h n i c a lm e a n st o i d e n t i f yt h ed e f i c i e n c yo f e q u i p m e n ta n df a c i l i t i e si nt h ei n d u s t r i a lf i e i d t h em a i nt e c h n i q u em o s tc o m m o n l yu s e di s t i m eo ff l i g h td i f f r a c t i o n ( t o f d ) ，w h i c hi st h ew a yt od e t e c tt h ed e f e c to ft h ei n t e r n a l s t r u c t u r er e l y e do nt h ee n dc o r n e ra n dt h ed i f f r a c t i o ne n e r g ye n d p o i n t a tt h ee n do ft h el a s t c e n t u r y , t o f dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e d i nt h ef i e l do fm o s ti n d u s t r i a l n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h i st e c h n o l o g yh a sa l s ob e e nv i g o r o u s l yp r o m o t e d w i t ht h ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y m a n ye n t e r p r i s e sa n di n d u s t r i a lu n i t sh a v e s t a r t e du s i n gt o f dt or e p l a c et h eo l dt e s tw a y t h eo r i g i n a lr td e t e c t i o nt e c h n o l o g y , a n d t o f dt e s tm e a n sh a sa l s om a d eg r e a tp r o g r e s si nal a r g et h i c k w a l l e dc o n t a i n e r s b a s e do nd e m a n do ft h ep r o j e c t ，t h ed a t ad e t e c t e db yu l t r a s o n i et e s t i n gs y s t e mw i l lb e p r o c e s s e da n ds t o r e df o rs u b s e q u e n td a t aa n a l y s i s b e s i d e st h ed a t am a p p i n gc o o r d i n a t e sc a n u s e dt od r a wd e f e c ti n f o r m a t i o n ，a n du l t i m a t e l yd i s p l a y e do nt h el c ds c r e e n o w i n gt ot h e r e a l i z a t i o no ft h e s ef u n c t i o n s ，w ed e s i g nas e to fu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1 a r m t h ed e s i g no fu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do na r mi sd e s c r i b e dd e t a i l e di n t h i s t h e s i s ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n f i r s t l y , a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n ，t h es y s t e mf r a m e w o r ka n df u n c t i o n sa r ei n t r o d u c e d t h ee n t i r e f r a m e w o r ko ft h es y s t e mi sd e c i d e db yt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m t h e n ，t h e r ei sad e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，i n v o l v i n gv a r i o u sp a r t ss u c ha st h eo v e r a l l p r o d u c t i o no fs c h e m a t i ca n dt h ep c bd e s i g n t h ew h o l eh a r d w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ：c o r eb o a r da n de x t e n s i o nb o a r d t h ed e t a i l e dc o r eb o a r di n c l u d e s ：a r mm o d u l e c o m m o n l yu s e d i nt h es y s t e m ，s d r a ma n df l a s h ，c fc a r d ，h p ii n t e r f a c e a n dt h e e x t e n s i o nb o a r di n c l u d e s ：d e b u g g i n ge x t e n s i o na n dl c d e x p a n s i o n f i n a l l y , e m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g nb a s e do nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d ， i n c l u d i n g ：b o o t l o a d e rt r a n s p l a n t a t i o n ，i n s i d e c o r ec u t t i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n ，t h e c o n s t r u c t i o no fl i n u xf i l es y s t e ma n dt h el i n u xd e v i c ed r i v e rp r o g r a m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n ；a r m ；p c b ；l i n u x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的背景和意义 无损检测技术，是指在不损害被检测对象使用性能及形态的前提下，因存在缺陷而 发生变化的现象，通过测量这些变化来了解和评价被测对象性质的一种检测技术，它是 现代工业许多领域中保证产品质量与性能，稳定生产工艺，促进技术进步的重要手段。 在表征焊缝缺陷时，有大量的无损检测方法可供选择。通常人们将常规的无损检测技术 划分成五大类：超声检测，射线检测，磁粉检测，渗透检测和涡流检测。超声检测技术 作为一种实用的技术而得到广泛应用，并立即获得迅速的发展。超声检测技术具有检测 灵敏度高，穿透力强，指向性好，检测速度快，检测费用低，检测设备简单轻便以及人 体无害等一系列优点1 。为了适应现代化建设要求，在化工和核电等重工业的设备制造 方面出现了许多大型厚壁容器。由于这些容器的壁厚和直径较大，对这些设各缺陷的检 测能力提出了许多新的挑战。通常，较大直径的仪器设备需要对设备进行现场的组焊安 装，而大壁厚的仪器则需要使用加速器才能进行检测，以上现象就需要用一种特殊的检 测技术才能解决，这种检测技术就是超声探伤检测技术。超声部分用到的技术主要是衍 射时差法( t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ，t o f d ) ，广义地说，凡是利用缺陷端部衍射波接收 时间差来定量评价的方法统称为t o f d 法b 1 。超声t o f d 法是英国哈维尔无损检测中心 提出的一种检测技术，图1 1 为t o f d 法检测的标准图形。t o f d 的工作原理是：超声 波发射换能器发出的超声波经过楔形块的折射而入射到结构件内部，其中一部分超声波 的能量沿结构件上表面传播，一部分能量入射到结构件内部。通过接收换能器所接收的 信号可以获得传播时间，由发射点至缺陷上、下边缘再至接收点的传播时间已知。在发 射换能器与接收换能器关于缺陷中心对称的条件下，可以得出缺陷边缘位于结构件内部 距离上表面的深度。然后通过几何的运算还可得到缺陷边缘位于结构件内部距离下表面 的深度，从而得知缺陷的高度，如公式( 1 1 ) 所示。 d = 其中，d 是要得知的缺陷高度，t s 是超声衍射波经过结构件的传播时间，c 是声音 的速度，s 是发射换能器和接收换能器之间距离的一半。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1t o f d 法检测的标准图形 目前我国的承压设备越来越朝着大厚壁的方向发展，再加上不可避免的运输条件的 限制，许多大型承压设备制造出来后无法进行整体的装载和运输，而只能将设备分批分 次地运送到现场然后再组焊。这样，传统的检测技术( 即r t 检测) 一方面无法满足大壁 厚设备检测的要求，尤其是灵敏度方面；另一方面，现场的检测投资较多，还需要建设 射线防护设施。另外，在使用传统的射线检测时，周围其它种类的交叉作业就不得不终 止，这种情况下非常影响整个工程的进度。t o f d 技术对缺陷进行定量精度则比以往常 规的超声检测要高很多，运用t o f d 检测方法更加便捷，例如探头接收的衍射信号不会 受到声速和缺陷角度的影响，就是说任何方向的缺陷都能被有效地检测出来，所以t o f d 检测技术具有较高的缺陷检测成功率。t o f d 技术具备的优点如下：1 可靠性高。t o f d 技术对于较大面积类型的缺陷或者焊接时导致的虚焊，焊接时没有熔合上的检测率非常 高。因此t o f d 技术多用于大型设备的厚且窄的焊缝检测。2 实时性好。通过系统的设 置则可以得到焊缝长度和宽度上的图像信息，并且实时性很好，一般通过专用的计算机 软件系统来完成。3 适应性强。缺陷的检测结果不受角度，探头探测的方向和缺陷的大 小形状等外界条件的影响。4 应用前景较好。由于超声相控阵技术复杂性，价格昂贵， 成本大而极大的限制了超声相控阵技术的广泛应用，而t o f d 技术检测原理简单，检测 速度快，不受声束角度、检测方向及探头压力等因素的影响，同样也具备着较强的信号 检测能力，节省设备的制造时间，安全，检测得到的数据还可以数字式永久的保存。但 是，t o f d 技术也存在它的局限性，比如：检测近表面时会存在盲区现象，高度倾斜的 缺陷较难检测出来，而且检测的误差在高精度上还有待进一步提高。所谓盲区是指实施 检测时被检测范围内不能发现缺陷的区域。t o f d 盲区存在于工件扫查面附近和工件底 面附近，即上表面盲区和下表面盲区。如何减小盲区，提高盲区内的缺陷检出率是t o f d 技术应用的关键口3 。 第1 章绪论 1 2 超声探伤检测技术的发展及前景 欧洲标准化委员会于2 0 0 0 年左右发布了有关用超声探伤t o f d 方法和定量的标准草 案e n v 5 8 3 6 ：2 0 0 0 1 1 。有关t o f d 法的第一份标准b s 7 7 0 6 ：1 9 9 3 贝j j 是由英国提出。在近十 年的时间内，相继发布的有关t o f d 标准还有美国的a s m e2 2 3 5 ：2 0 0 1 和曰本的n d i s 2 4 2 3 ：2 0 0 1 。这些国家使用t o f d 检测方法也主要广泛应用于锅炉、压力容器和压力管道 焊缝等大型工业行业工作中的检测。 t o f d 检测方法在西方发达国家已经提升了一个高度，有了较深程度的应用，应用 领域包括核工业、电力工业及石油石化等工业中的锅炉、压力容器及压力管道等承压设 备的监测中。随着t o f d 技术的研究和应用的日益广泛，以美国和欧盟为主要代表的西 方发达国家制定了关于t o f d 检测的标准。目前，国内外的t o f d 超声检测仪器已有类似 产品，手持式和桌面式的都有，主要为日本企业和美国企业产品。但是我国则在t o f d 检测技术的方法研究、标准制定以及灵敏度确定等技术方面还是起步阶段。到目前为止 还没有一个统一的行业标准或国家标准。随着我们综合国力的增强和重工业的发展，这 一关键问题的日益凸显，急需要解决我国目前尚无t o f d 标准的问题。我国在t o f d 领域 中，所有的t o f d 检测要么仅能单独申请企业级别的标准，要么只是作为无损检测的补 充手段而不被认可。行业标准的缺失相当程度上限制了我国在t o f d 技术领域的推广和 发展，因此建立我国的具有中国自己知识产权的标准是当务之急。这就要求我国从事超 声探伤工作的检测人员要通过大量的试验来不断积累经验，提高检测水准，以强化数据 分析能力和评判能力 为此首先应学别人之长，深入地了解和掌握国外已有的标准和规范，进行系统的研 究，为我所用。只有这样才能真正的建立起既符合目前行业技术发展的要求、又适合我 国国情的标准。因此，研究t o f d 技术不仅能深入的促进我国在无损检测的领域的进一 步发展，而且对扩展其在工业上，尤其是在锅炉、压力容器、压力管道焊缝检测上的应 用。尽快的弥补我国在超声探伤检测行业的空白，争取与国际接轨具有非常重要的意义 3 1 1 3t o f d 法检测系统的构成 本方法的检测装置包括超声检测探头模块、超声模拟信号调理器模块、超声波发 射机模块和嵌入式系统模块四个模块，如图1 2 所示，其中超声检测探头模块由发射探 头、接收探头和c m o s 图像传感器构成，超声波发射机模块包括超声波功率放大器p 和超声波发射机前置级d r v ，嵌入式系统模块包括f p g a 、a d 、l c d 、c f c 、 a r m & d s p 、k b & m s 、u s b 等。需要说明的是，图中所示的c d t r l 、c d t r 2 是超声 波模拟信号调理器通道，c f c 是c f 卡( c o m p a c tf l a s hc a r d ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2t o f d 法检测装置的构成 f p g a 在a r m 的控制下，产生缺陷检测所需的t t l 电平脉冲信号并完成模数转换 器输出的数字信号高速的实时缓冲存储。嵌入式系统中的d s p 数字信号处理器完成可 选择不同中心频率、不同带宽的数字滤波，缺陷自动识别，缺陷三维辅助绘图等信号 处理。经过处理的超声波信号数据信息和缺陷二、三维图形数据在嵌入式处理器a r m 控制下，传输给l c d 液晶显示器并显示，或也可以采用文件的形式存储在c f 卡中。利 用超声探头处加装的c m o s 图像传感器给出( a x ，a y ) 位移量，通过u s b 同步串行通 信传输给a r m & d s p 进行超声检测数据与( a x ，a y ) 位移量数据的融合，得出缺陷的 二维或三维空间中的几何位置，这样可以免去复杂的x y 平面高精度机械走架。通过 u s b 通信接口，还可以更新或升级d s p 信号处理软件。 1 4 嵌入式系统介绍 目前，对嵌入式系统的定义有很多说法，最经典的定义是：以用户应用为中心，以 计算机技术为基础，软硬件可裁剪的一种专用系统，本论文阐述的系统也属于嵌入式系 统范畴。 嵌入式系统大部分情况下指的都不是我们常见的通用计算机系统，c p u 也都是专用 的处理器，内部结构和通用处理器也不尽相同。嵌入式系统是由硬件和软件共同组成的， 以硬件为支撑实现软件的功能，其中硬件又以微处理器芯片为核心。目前微处理器芯片 大概有以下几种：单片机，a r m ，d s p ，f p g a ，s o c 等。嵌入式微处理器一般具备以 下几个特点： 1 ) 有较好的实时多任务支持能力。这种特性决定了它在完成多任务的同时对中断 等动作能更快的作出反应，从而使内部代码的执行时间减少到最低限度。 2 ) 嵌入式微处理器一般都具有功耗较低的特点，多用于手持设备和便携设施。本 系统将来需要做成盒式的设备装置，所以对低功耗的要求也较高。 3 ) 处理器结构的可裁剪和可扩展性。根据嵌入式处理器的这个特点，可以为了满 足客户的个性需求和应用需求而迅速的制定出高性能的嵌入式微处理器。 嵌入式系统基本结构一般由处理器，存储器( r a m 和r o m ) ，时钟，电源，j t , d h 4 第1 章绪论 输入输出设备组成h 3 。如图1 3 所示。 存站嚣 输入i 宝簖 扎 处郸器 k 输出设备 y 卜绅l 图1 3 嵌入式系统基本结构 1 5 论文主要研究内容 本文主要阐述的内容是结合超声探伤t o f d ( 衍射时差法) 的方法，从而设计出的 一套控制系统。如图1 4 所示为系统框图，虚线部分为本论文需要详细讨论的内容。 图1 4 系统框图 本论文主要的研究内容包括四部分： 1 概述超声探伤检测技术的目前现状及未来发展，并且介绍了t o f d 技术基本实 现原理。 2 由整体设计方案的思想出发，概况的介绍本套系统的组成，包括总体设计方案 的对比，主要接口设计方案的对比，工作原理以及主要元器件的选型。 3 系统硬件设计部分。详细的介绍各功能模块的设计以及p c b 的设计和实现，并 在此基础上阐述了各接口调试方法和验证结果。 4 系统软件设计部分。详细的介绍了a r m 与l i m 操作系统相关的各部分组成， 包括b o o t l o a d e r 移植，内核裁剪与移植，根文件系统的制作以及各接口的 驱动程序设计和实现。其中，驱动程序设计部分详细介绍本系统主要接口的设 计和实现方法。 气 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 总体设计思想 为了实现本系统的各项功能，需要先从整体上有一个设计思想和设计规划。图2 1 为本系统的总体设计流程图，从图中可以清晰的看出本系统采用至上而下传统的工程流 程的设计方案。设计方案主要分为硬件设计和软件设计，它们既相互独立又相互依赖。 其中，硬件设计方面主要需考虑3 点： 1 方案的合理性和可实施性。 2 主要芯片和元器件的选型。 3 是否符合硬件设计规范及硬件调试能否通过。 软件设计需在硬件设计的基础上进行。软件调试工作中，最终关心的还是调试是否 能够通过及是否能够达到系统要求。如果调试过程遇到阻力，可以修改软件设计方案甚 至部分硬件设计方案。硬件设计和软件设计都没有问题的情况下，最后方可进行联合调 试，从而达到预期的目的。 图2 1 总体设计流程图 6 餮 第2 章系统总体设计 2 2 系统设计方案的选择 2 2 1 主要芯片介绍 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。基于r i s c 架构的a r m 微处理器一般都 具有大量使用寄存器且执行速度快，体积小和低功耗等特点。a r m 有非常丰富的外围 接口能力，通常用于系统控制方面。所以如果需要大量数据处理的系统，一般都是a r m 和d s p 搭配或者a r m 和f p g a 搭配使用。本套基于a r m 的系统其实就是和d s p ，f p g a 同时搭配使用的。a r m 用于控制，d s p 用于数据处理，f p g a 用于高速逻辑设计。a r m 芯片系列也分很多种。根据版本和功能的不同分为a r m 7 ，a r m 9 或a r m l l 等p 1 。 a r m 9 系列微处理器可在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。且具有以下几 个主要特点：1 支持全性能的m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ，内存管理单元) ，支持 l i n u x 操作系统。2 五级整数流水线，指令执行效率更高。3 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛 结构，时钟频率在1 0 0 m h z 2 3 3 m h z 。4 a r m 9 技术成熟，应用广泛且稳定。 经过芯片处理速度和芯片价格的综合考虑，本套系统选用a r m 9 系列中a r m 9 2 0 t 为本系统的核心处理器，具体型号为三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片。$ 3 c 2 4 4 0 a 内部集成 了许多接口，这样可以更充分的利用$ 3 c 2 4 4 0 a 的片内资源，减少了内部资源浪费，而 且它是目前非常通用的芯片，技术资料支持也非常丰富陋1 。 d s p ( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) 是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统， 是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有 控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接 若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身 就是一个微型计算机。d s p 采用的是哈佛总线设计，即数据总线和地址总线分开，使程 序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执 行上一条指令的同时就可取出下一条指令， 度。它的强大数据处理能力和高运行速度， 并进行译码，这大大的提高了微处理器的速 是最值得称道的两大特色1 。 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( 现场可编程门阵列) 的缩写，它是在 p a l 、g a l 、p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路( a s i c ) 中集成度最高的一种。f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l l a r r a y ) 这样一个新 概念，内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。用户可对f p g a 内部的逻 辑模块和i o 模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路领 域中的一种半定制电路，f p g a 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门 电路数有限的缺点。 2 2 2 设计方案的比较 通过以上三种处理器的介绍，可以看出它们的主要区别：a r m 具有比较强的事务 管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面；而d s p 主 要是用来计算的，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度：f p g a 灵活性强，由 于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。 本系统最初的设计有三种备选方案，方案1 ：a r m + d s p 架构；方案2 ：a r m + f p g a 架构；方案3 ：a r m + d s p + f p g a 架构。 方案i ： 方案2 ： 方案3 ： d s p 一一 _ _ p c 机 i _ 卜 e c j f t ； 图2 2 设计方案比较 如图2 2 所示为备选的三个设计方案框架图。因整套超声探伤系统较复杂，需要在 超声探伤技术的背景下实现a d 变换，数据采集，数据处理，数据存储，图形显示，系 统管理软件等功能。方案1 在a d 变换和数据采集方面略有不足，而方案2 则在数据处 理的能力上有待提升。最后经过比较，决定选择方案3 为整套系统的设计方案，因其不 管在数据采集，数据处理还是系统控制上都比较理想，最适合本系统的需求。 第2 章系统总体设计 2 3 系统工作原理 图2 3 系统工作原理框图 系统所要实现的目标是将探头采集来的数据进行处理，存储。最终检测出缺陷并能 显示出缺陷的形状，大小。通过图2 3 的系统工作原理框图可以看出超声探伤整个系统 各组成部分的连接情况，本论文主要讨论研究图中虚线中的部分。结合系统工作原理框 图进行一下概要说明：首先，模数转换器( a d ) 将放大后的超声波模拟信号转换成数 字信号。模数转换器输出的数字信号由f p g a 可编程器件进行高速的实时缓冲存储，然 后由d s p 读取并进行相应的信号处理。d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的以抽样形 式表示的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的 乘累加操作等。经过处理后的数据通过高速接口发送到a r m 侧，a r m 侧根据数据信 息进行分析，进行待检测缺陷的绘图工作；也可以采用文件的形式存储在以t r u ei d e 模式下工作的c f 卡中。a r m 将接收到的数据交由c f 卡保存起来，以备于后续的分析， 调用。另外，通过人机交互也可以完成设备检测模式、被检测结构件工艺参数、缺陷检 测人工辅助、显示模式、测量原始数据文件等管理。超声监测设备不但可以脱机独立进 行工程检测，还可以通过r j 4 5 的以太网口或者u s b 标准的同步串行接口与主机进行通 信。通过u s b 接u ，嵌入式系统中的c f 卡则以u 盘的形式作为一个盘符出现在主机 中。主机可以从c f 卡中复制测量的原始数据，向检测设备装订测量工艺文件，更新或 升级检测设备信号处理软件等。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 a 刚系统与外围系统接口设计 2 4 1a r m 系统与d s p 系统接口选择 上文已指出，a r m 与d s p 的接口除了要完成数据的高速传输还要实现程序的加载 操作，系统设计时参考选择的接口主要有两种：s p i 接口和h p i 接口。 1 s p i 接口的英文全称是s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，中文意为串行外围设备接口， 一般速率可达几m b p s e 7 1 0 s p i 接口是以主从方式工作的，a r m 可通过s p i 接口发送命令， 使d s p 进行相应的数学运算及传输数据，然后系统设定a r m 为主设备，d s p 为从设备。 s p i 接口一般包括以下四个信号： ( 1 ) s p im o s i ：主器件数据输出，从器件数据输入； ( 2 ) s p im i s o ：主器件数据输入，从器件数据输出； ( 3 ) s p ic l o c k ：时钟信号，由主器件产生； ( 4 ) s p ie n ：从器件使能信号，由主器件控制； a r m 主 s p ic l o c k 隔 s p ie n l s p im o s i 禺 器 s p i 蛐s o 图2 4 a r m 与d s p 的s p i 通信接口 2 h p i 接口的英文全称是h o s tp o r ti n t e r f a c e ，中文意为主机接口。i - i p i 是d s p 芯片 提供的一种并行接口，专门用于d s p 和外部主机进行并行的数据传输，这里的主机可 以理解本套系统的a r m 部分。由于i - i p i 是集成在d s p 片内，因此a r m 可以达到很高 的访问速度，可以满足信号处理过程中数据高速传输的要求。而且a r m 系统可以通过 h p i 直接访问d s p 的存储空间和d s p 外部设备的映射地址空间陋1 。除此之外，i - i p i 接口 还有如下特点： ( 1 ) 主机与d s p 都可以访问h p i 的存储器。d s p 的片内存储器对外透明，主机通过访 问i - i p i 的地址寄存器和数据寄存器可对d s p 片内存储器读或写。如果主机与d s p 同时 访问h p i 的存储器产生冲突，则主机优先访问，d s p 一个周期后再访问。 ( 2 ) 通信过程中完全没有硬件冲突，不会中断d s p 程序的运行。 ( 3 ) 若需要中断，主机和d s p 可以相互中断。 3 两种方案的对比： 第2 覃糸统总体设计 s p i 方案的优点是硬件结构简单方便，但是主要用于传输数据量较少、传输速度要 求不是非常高的场合。而且s p i 有个缺点就是其没有指定的流控制，没有应答机制确认 是否接收到数据。 在短距离的双核通信接口电路中，h p i 接口具有接口简单，成本低，传输速度快等 特点。特别适合在数据采集，图像处理等领域的双核嵌入式系统中应用。而且实践证明， h p i 接口是一种电路简单、性能稳定、高效可靠的通信方式，而且具有很强的通用性， 可广泛应用于各种含有h p i 接口的多c p u 嵌入式系统一1 。 综上所述，本系统采用h p i 接口的方式实现a r m 与d s p 的互联，h p i 接口完全可 以满足本系统的需求。 2 4 2h p i 接口设计 图2 5 为a r m 与d s p 的h p i 通信接口连接图。a r m 与d s p 通信的h p i 接口需 要地址信号，数据信号和控制信号。d s p 侧对应h p i 的寄存器有三个：h p i 控制寄存器 一h p i c ，h p i 地址寄存器h p i a 和h p i 数据锁存器h p i d n0 1 。图2 5 中的a r ma 3 和 a r m a 2 地址线用于连接d s p 的选择控制信号h c n t l 1 ：0 ，从而根据h c n t l 1 ：o 的 高低电平决定访问以上三个寄存器中的哪一个。如表2 1 所示为h p i 输入控制信号功能 选择1 。 表2 1h p i 输入控制信号功能选择 h ( 玲r t l lh c n t l o 说明 00 主机对h p i c 进行读或写操作 01 主机对h p i a 进行读或写操作 1 o 主机以自动增量模式读或写h p i d ，h p i a 自动加一个字 1 l 主机以固定地址模式读或写h p i d ，h p i a 则不影响 a r ma 1 与d s p 侧的h h w i l 信号连接用来识别传输的是第1 个半字还是第2 个 半字。a r ma 4 与d s p 侧的h r w 信号连接来控制读或写的选择。1 6 位的数据线是。一 个并行双向且三态的数据总线，当不响应时，被置于高阻态。h p in g c s 2 和h p in g c s 2 1 的两个片选信号用于连接d s p 侧的h c s l 2 信号来确定选通两个d s p 芯片中的哪一个。 a r mn o e 和a r mn w e 与d s p 侧的h d s l 和h d s 2 连接用于读或写的选通。 h p in w a i t 和h p ie i n t 与d s p 侧的h r d y 和h i n t 连接用于中断请求和操作等待。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a r md s p a _ r m _ e d 0 ：1 5 rh d l 5 ：0 a r ma l 曲 珏h l a r m 能 线 h c m o a r m a 3 隔 rh c n t l l a r ma 4 古 h 肼 = n a r m 黼 或 王王d s 2 a r mh o e , 门 rh d s l h p in g c s 2 电 h c s l 珏p ln g e s 21 ， 路 h e s 2 王壬礁n 强i t 王王r d y h p 嚯班n ti h i m v e f王王a s 图2 5 a r m 与d s p 的h p i 通信接口 2 4 3a r m 系统与f p g a 系统接口 a r m 系统与f p g a 系统接口的主要功能简单说就是a r m 发送命令至f p g a ，而 当f p g a 侧收到命令后产生其寄存器值的变化，然后根据相应寄存器值的变化来进行下 一一二鲨竖丝一堕此亘丛量出：剑曼壁坠之间的蓬接丝较篮墼! 奎系统采用旦丛婴接 口来形式实现a r m 系统与f p g a 系统的通信，完全可以满足系统要求。并且其具有传 输线少，成本低，可靠性高等优点，非常适合a r m 与f p g a 通信用“。 u a r t 是u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 的缩写，即通用异步收发器。 它是一种通用串行数据总线，用于异步通信，该总线双向通信，可以实现全双工传输和 接收。一般微控制器中的u a r t 传送数据的速度范围为每秒几百位到1 5 m b i t 。常用的 波特率为4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，5 7 6 0 0 ，1 1 5 2 0 0 等，当通信距离较近时，只需使用少数几根信号线就 可实现数据通信，最简单的情况只需三根线( 发送线，接收线，地线) 便可实现全双工 异步串行通信，如图2 6 所示为本系统a r m 与f p g a 的接口。$ 3 c 2 4 4 0 a 的u a r t 单 元提供了三个独立的异步串行i o 端口，每个都可以在中断和d m a 两种模式下进行， 每个u a r t 通道包含2 个1 6 位f i f o 分别提供接收和发送。每个u a r t 包含波特率发 生器，接收器，发送器和控制单元。波特率发生器以m c l k 为时钟源。发送器和接收 器包含f i f o 寄存器和移位寄存器，当发送数据的时候，数据先写到f i f o ，然后拷贝到 发送移位寄存器，然后从数据输出端口依次被移位输出。被接收的数据也同样从接收端 口移位输入到移位寄存器，然后拷贝到f i f o 中”“。 第2 章系统总体设计 ar蚤座fpga b - - p g ai x d l r x d l f p g ar x d l1 g n d 1 图2 6 a r m 与f p g a 的接口 2 5a 蹦系统其它部分接口 2 5 1a r m 系统其它接口概述 a r m 可扩展的片外资源非常丰富，功能模块多，此系统只利用到了其中一部分。 其中还包括： 1 a r m 系统必备的电源模块，s d r a m ，f l a s h 等； 2 与p c 机通信用的网口，串口和u s b 接口； 3 作为a r m 系统的“硬盘”作用的c f 卡； 4 显示设备l c d 。 2 5 2 系统主要元器件的选择 一般说来，元器件的选择原则主要考虑以下几个方面：1 功能。2 价格。3 质量。4 兼容性5 封装。6 功耗等。考虑以上各条件，本系统的主要芯片选用三星公司的产品。 如：基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 4 0 a ，6 4 m 容量的f l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 u 以及s d r a m 芯 片k 4 s 5 6 1 6 3 2 f 。系统主要元器件清单详见表2 2 表2 2 主要元器件清单表 所属板器件名称说明作用 核心板 $ 3 c 2 4 4 0 a a r m 处理器a r m 板的核心处理器 核心板 k 9 f 1 2 0 8 un a n d f la s h 用于数据存储，文件烧写 核心板 k 4 s 5 61 6 3 2 fs d r a m 程序的运行，数据堆栈 核心板s n 7 4 c b 3 q16 2 4 4总线转换芯片起总线开关的作用 核心板 c y 7 c 6 8 0 1 3 a l f x u s b 微控制器 串并转换，u s b 控制 核心板 t p s 7 0 3 4 5 电源芯片 双路输出降压稳压作用 核心板 2 4 l c 6 5e e p r o m 与6 8 0 1 3 a 配合使用，文件下载 核心板 c f i ic f 卡 大容量数据存储 调试板 c s 8 9 0 0 a 局域网处理芯片以太网控制器 调试板 m a x 3 2 4 3 多通道r s 2 3 2 驱动器1 日于r s 2 3 2 的连接 l c d 板s n 7 4 c b 3 q 1 6 2 4 4总线转换芯片起总线开关的作用 l c d 板 x c 2 c 6 4 ac p l d 芯片 l c d 板的核心处理芯片 l c d 板 t p s 7 1 7 1 2 电源芯片降压稳压 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章从设计的总体角度对本系统进行了阐述。分别介绍了系统的总体设计思想，系 统设计方案选择以及系统的工作原理。通过以上三个方面的介绍，可以对本系统先有个 整体的认识，方便后面具体设计介绍的理解。除了以上的内容，本章还介绍了a r m 与 d s p ，a r m 与f p g a 的接i s l 及其他部分的设计方案。最后由一节器件选型的表格作为 结尾，整体上概括一下本系统的具体组成的硬件型号和作用。本章的部分内容将在第三 章中做详细讨论。 1 4 第3 章系统硬件的设计及调试验证 第3 章系统硬件的设计及调试验证 3 1 电路板的硬件体系结构 本嵌入式系统硬件平台分为两个部分：一部分为基于a r m 系统的基本组成，包括 a r m 芯片、s d r a m 芯片、f l a s h 芯片等核心器件的核心电路板。另一部分为系统扩展 部分，包括l c d 扩展板和包含串口网口的调试扩展板。图3 1 为树形拓扑的电路板结构 图。 囹一囹圈 图3 1 电路板结构图 由上图可以清晰的看出各部分的组成和包含关系。由于工程项目需要，在体积小， 低功耗方面需要考虑，所以本系统采用核心板，l c d 板和调试板三个板子组合的方式。 在调试时需要连接调试板，调试完毕后可以撤掉调试板。同样，在调试或使用l c d 板 时需要连接，在l c d 板已调试完毕时，也可以先撤掉l c d 板，不过最终使用时l c d 板需一直固定连接。运用这种连接方式的目的有三点： 一是节省系统资源，合理且能充分利用。 二是结构清晰，便于调试和系统分析。 三就是可以满足系统低功耗，产品体积小等工程实际问题。 3 2 系统核心板的硬件设计 3 2 1 电源模块设计 本系统是一套基于a r m 的嵌入式系统，电源模块的设计的需要满足一些基本要求： 1 满足系统节电，降低功耗等工程实际问题。 2 满足系统不同功能模块使用不同电压值的要求。 3 满足相对独立的供电系统，