（信号与信息处理专业论文）薄板粘接界面超声检测方法研究及dsp实现.pdf

内蒙古人学颂i j 学位论文 薄板粘接界面超声检测方法研究及d s p 实现 摘要 薄板粘结界面检测是一个在军事、航天等领域具有重要意义的研究课题， 也是信号处理应用领域中的难点问题。本文研究金属薄板与非金属材料粘结界 面质量状态的超声波检测方法，并设计可实现定量检测的专用系统。 本文在研究回波法检测机理和数字信号处理理论的基础上，设计了一套以 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片为核心、包括超声波发射 接收、信号预处理、a d 采样、控制与显示电路在内的测试系统，用米对超声 检测回波信号作实时分析处理，实现提取各种粘接状态信息。在此基础上，本 文分别对回波脉冲信号的时域特征参量：能量、幅值、衰减系数和频域特征参 量：频谱、频移变化等进行分析，在m a t l a b 仿真的基础上分别制定了相关 的实时信号处理算法，并相应地设计了1 6 位定点d s p 算法实现程序，而且对 各种检测方法的效果进行综合分析比较，达到了量化检测的目的。通过本课题 的研究工作，得到了一些有实用价值的实验方法和实验结果，设计了实验性样 机，为进一步研制标准化超声测试仪研究奠定了基础。 关键词：超声检测，回波法，实时信号处理，d s p 内蒙古人学倾i ：学位论义 r e s e a r c ho nm e t h o do fd e t e c t l n gt h ef e l t i n g i n t e r f a c eo ft h i np l a t ea n di t si m p l e m e n t a t l o n w i t hd s p a b s t r a c t 。d e t e c t i n gt h ef e l t i n g i n t e r f a c ei sn o to n l yat a s kw i t h g r e a ts i g n i f i c a n c e i n m i l i t a r y a n ds p a c e f l i g h t a r e a s ，b u ta l s o ak n o t t yp r o b l e mi n a p p l i c a t i o n f i e l do f s i g n a lp r o c e s s i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eu l t r a s o n i cm e t h o do fd e t e c t i n gt h e c o n d i t i o no ff e l t i n gi n t e r f a c eb e t w e e nt h i n p l a t e a n dn o n m e t a l ，a n das p e c i a l s y s t e mi sd e s i g n e d t or e a l i z e dq u a n t i f i c a t i o n a ld e t e c t i o n at m s 3 2 v c 5 410 - c o r e dd s p s y s t e mi s u s e dt od i s p o s et h ed a t aa n dd i s p l a y t h er e s u l t i nt h i s p a p e r , ah a r d w a r ed e t e c t i n gs y s t e m i se s t a b l i s h e db a s e do n s t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo f e c h om e t h o d a n dt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y t h e u l t r a s o n i c e m i s s i o n r e c e i v i n gc i r c u i t ，s i g n a lp r e t r e a t m e n tc i r c u i t ，a d c o n v e r t e r c i r c u i t ，c o n t r o la n dd i s p l a yc i r c u i ta r ea l s oi n c l u d e di nt h i ss y s t e m t h ed e t e c t i n g s y s t e mi su s e d t oa n a l y z ea n d p r o c e s st h er e f l e c t e dw a v es i g n a li nr e a l - t i m em o d e t h e nt h ei n f o r m a t i o no f f e l t i n gi n t e r f a c e sc o n d i t i o ni sp i c k e d - u p t h e c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so f t h er e f l e c t e dw a v e s e n e r g y , a m p l i t u d e ，a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti nt i m e f i e l da n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f s p e c t r u m a n d f r e q u e n c ys h i f ti nf r e q u e n c y f i e l da r ea n a l y z e ds e p a r a t e l y t h er e l a t i v ea l g o r i t h m sa r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h e s i m u l a t i n gb ym a t l a b ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n g16 - b i tf i x e d - p o i n td s p p r o g r a m s a r ew r i t t e nt or e a l i z et h e a l g o r i t h m s t h e e f f e c to fe a c h d e t e c t i n g m e t h o di s a n a l y z e d a n d c o m p a r e db ys y n t h e s i s t h eg o a l o fq u a n t i f i c a t i o n a ld e t e c t i o ni s r e a c h e d t h ew o r k p r e s e n t e di nt h i sp a p e r h a ss o m e p r a c t i c a le x p e r i m e n t a lm e t h o d s a n dr e s u l t ae x p e r i m e n t a lp r o t o t y p em o d e li s d e s i g n e d i tl a y saf o u n d a t i o nf o r f u r t h e rd e v e l o p i n gs t a n d a r d i z e du l t r a s o n i cd e t e c t i n gi n s t r u m e n t k e y w o r d su l t r a s o n i cd e t e c t i n g ，e c h o m e t h o d ，r e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n g ， d s p 内敛古人学颂i ：学位论文 目 多年以来，由于无损检测专业人员的创造和实践中的发明，超声频率的弹性波能量已 成功地作为重要的探测手段。近二、三十年，特别是近十年来，在电子技术及压电陶瓷材 料的发展推动下，超声检测技术得到了迅速的发展。在无损探伤、测温、测距、流量测量、 液体成分测量、岩体检测等方面，新的超声检测仪表不断出现。应用领域也不断扩大。 f 所谓超声检测技术，就是利用超声波在媒质中的传播特性( 声速、衰减、反射、声阻抗 ， 等) 米实现对非声学量( 如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液 位、厚度、缺陷等) 的测定，其中尤以电磁超声和激光超声技术为代表。与传统超声技术 完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现测量，环境适应 能力强，可实现在线测量。 孙，豳内在超声无损检测领域的研究还较为落后，研制超声探伤仪的数字化程度不商， 大部分仍采用模拟的手段，检测精确度不能达到科研生产的要求：在界面检测方面的研究更 是缺乏，特别是在军事、航天等特殊领域针对薄扁平物体复合界面检测手段的需求显得尤为 迫切。然而由于测量方法和技术问题还没有解决，常规的工业超声探伤仪受设计原理和榆测 疗法的限制只能对粘接界面进行简单的定性测量，无法对介于“脱粘”和“4 i 脱粘”之州 的“麻粘”状态进行准确的量化测量，薄板材料粘接界面粘接状态的质量检测仍是超声无损 检测领域的难题之一，因此采用新的方法、思路针对薄板材料粘接界面粘接状态检测进行研 究是一个非常有意义和实用价值的课题。 常规的超声检测方法有穿透法、谐振技术和脉冲回波技术等，而脉冲回波技术是所有超 声技术中通用性最好的方法，其原理是把超声波短脉冲送入物体，如果所测区域胶结良好， 则该处声匹配好，几乎没有入射波从胶层会属界面返回；如果所测区域有脱粘情况，则会 增强入射波反射，而且反射强度随脱粘比例的增大而增加。所以当回波自物体的非连续性结 构( 缺陷) 或边界返回时。可以根据回波信号的信息反映检测结果。本课题采用脉冲凹波技 术利_ 【1 】周期牲的窄脉冲激励中心频率为2 5 m h z 的高斯波超声探头研究厚度为3 5 m m 的 金属薄板与非金属材料之问的粘接界面状态的质量。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理技术应运而生 并得到迅速发展，在通信、自动化、检测等等领域得到极为广泛的应用。而d s p ：芯片的普 及和性价比的提高，使得基于数字信号处理器d s p ，采用数字化的方法解决超声检测领域中 内皱古人学坝i 岸位论文 的薄板检瓣这一难题受别越来越多静关注。d s p 与普通处理器鞫比，露如下凡个主要特点： 1 d s p 采用图l l 所示埝佛结构基础上改进豹总线结构，摆脱了传统计算机程j 葶和数搬抉用 个存储空间的限制，稔序存储器和数据存储器互相独立。独立编址、独立访问，使稔序和 数据各蠡具有独嶷熬存镶空闽和总线，裁嚣可以嚣对对数撂藏稷痔寻址，太大旋高了数摄处 理能力，非常适含于实时信号处理：2 d s p 的指令系统聚用流水线操作，d s p 处理器可以同 霹并行懿毽2 4 条指令，每条攥令憝予执章亍避程串豹举| 霹获态：3 d s p 采月了些专掰疆 件( 龟攒专用硬件乘法器、乘加器和桶式移位器) ，并提供了特殊的d s p 指令系统。所柯这 麓特点都大大提高了d s p 芯片的专门运算能力释数据吞畦麓力。 本课题采用t m s 3 2 0 v c 5 4 l od s p 芯片为核一心处理器建立研究史验系统。 t m $ 3 2 0 v c 5 4 1 0 是由t i 公司( t e x a si n s t r u r n e m si n c o r p o r a t e d ，即德州仪器公司) 推出的1 6 键定轰d s p 芯片，其寄蔫牲麓、高集残廑、场耗低、貔淫足寸，j 、等特煮，箕核心撰魄跑蓬 、， 仪为1 8 v ( i ol 乜堪保持3 3 v ) ，提供了丰富的片内资源，包括6 4 k 字s a p , a m 和1 6 k r o m 镩，其运算能力可以达捌1 0 0 m i p s ，适合于要求高速处理的复杂信号。 酗1 l 哈佛结构 f i g 1t h eh a r v a r ds t r u c t u r e ) a b d b 内肇古人掌懒i ：学位论文 第一章回波法分析 燕越声捡溯领域，溷波法蚨被提爨戮发袋残熟，已经在越声测浮、超声成豫等等务个 宵而得到广泛腹用。假是在不同的情况下使用回波法，既有便于解决问题的一面，也存在 分桥蠲题对豹些难煮。下瑟获理论诗算及王程实瑗角废，赣本谦联采蠲遮稀方法磷究会 属薄板与非会属材料l 缸j 粘接界黼的质擞检测时遇到的问题进行分析。 蓠先，当麓声波案簧斜入射劐界面辩，其缀射波和折射波将按类钕予光学畿律所决定的 角度传播，面熙出于反射和拆射脉冲与入射脉7 中的偏振不完众相同，可能激励出界磷波， 如s t o n e l y 波和l o v e 波，这种情况将导致回波的幅度等特征参量数掘产生较大的变化， 麸两餐情况复杂褥难骧进行分析。因诧本文磷究串将注意力集中在探头与被测秘闽耩台蠢 好而且检测波瓣直入射上，则声脉冲的反射和折射幅度是出界面的反射系数决定的，避免 了将问题复杂他。假定界面具有纯弹髋和位移连续的性质，而j 王应力怒维持谯界面的两铡， 一“ 反鸯，l 波旗度f 和+ 霜露戳国式： 制；籀加) ( 1 t 1 ) 绘定，搴。苫) 是以对剃f 窝距离x 的形式对入射波的摧述，量值z l 和z 2 代表形成界硬靛廷 种材料的声阻抗，通常定义为速度v 。、v ：和密度p ，、p 2 的乘积。这熙研究的界面如果是 会属和胶结齐i j 所形成的界面，声波由愈属一侧入射，剃反射波的幅度将为： 尹毒，x ) ；& 羔竺益确，x ) ( 1 2 ) p 。 4 - p 。 这意馥麓 王俦彩稠密发或速度瓣获结铡备霾素会零| 怒发射旗痰豹改变。荻臻宠磐熬部挝出 于成匕 尹0 v 舯，反射波与入射波相位差是1 8 0 ，而则幅度远小于入射波幅胰的6 5 ；在 界而处存在簿象气层的部位，反射波与入射波相位麓同样是1 8 0 。，但幅度将是入射波的 9 9 9 9 。所以反射脉冲的褶彼和幅度至少在实质上带来了胶膳的菜黧弹性褴旗和存在脱糨 鳇苗患；嗣时空气薄缓在探测嚣所在隧域占的露积比例不同，接收到反射波的楣位和幅度 等信息的数据上反映出的结聚也不同，从而为量化薄板材料粘接界i 渐“麻粘”程度握供了 依豢。 内袋古人学颇1 ：学位论文 跌舅一个角度看，如采能产生无限短的超声醋效脉冲，并用完薷的( 无限带宽) 电子 设备接牧它的卿波，我们就能够根据酾波到达换能器( 探头) 的时蚓差异分辨不同距离婀 间隔褶近的目标的特征。 安踩t ，焱诲歉净其毒g 程) 豹形式，g q ) 怒出想簧产生瑟艇已经产生豹繇骞函数缝残 的。函数g ( ，) 包含所有的换能器特征、驱动渡形、耦会效应以及作用予脉冲豹介质效成，电 就是激包含除了产生回波的目标效应之外的所有因素。同样，复杂形状目标特征的效应j 叮 黻蠲薅数矗( ) 柬摇述，蠢( f ) 包愈要求宓拜滚分辨翡所有离敬特蔹翡连续溺数。掰浚圆滚稼冲 灭f ) 是出姆) 以 f ( t ) = g ( t ) h ( t )( 1 3 ) ， 的形式作了修改的g ( ，) ，上式可以改写为： f q ) ；lg ( r ) j l q f 澎f ( 1 。) 麸理论上游，卷积蜀以逶避强波歉；孛数字纯方法鸯攀野，毽是这群 毅戆困难一是譬f f ) 未 知，而崩它随赭实验条件的改变丽变化；二是对信号处理运算过程所需要的时间提出了较 高的要求，所以簧直接求得回波脉冲“f ) 的具体描述难度较大。 露嚣，麸工程实现瓣角度来看，薄叛榜辫独接雾嚣轱接状态蒺量捡测揍为秘短爨程 测量，肖两个明显的难点： 蓄先，接狡鏊路毫鼯鹣输入葫蠢接与繇渖发送器( 帮超声波探头) 裰连舔接牧离篷辣 冲，它必须受到保护以避免受剿发送脉冲的损害，同时必须保护后级电路不受影响甚至损 坏；丽髓因为搿压脉冲的幅度可能是两渡脉冲幅度的凡十倍。那么仍存在过载及饱和，所 以要等这静冲击恢复以瑶爿能慰弱回波脉冲昀成。 第：个问题是脉冲长度( 指峰值的1 1 0 处，邵2 0 d b 下降点以上两点问的宽度) 。只要 发送辣堙羯来警息一f 去，探头秘接收电路羧不能砖任键弱渡躲翘翻盛。麸这个意义 ：漤， 关键在于从发送脉冲衰减到与靠近探熬处的目标来的回波峰德不相上下的电罐电平时闽。 所戳发送稼冲之詹，存在一段失效嚣雩阕，转换成距离，裁意睬着存在一个琵躐，东我送壤 内分辨= 1 ：出任何回波信号。这就要求发射脉冲必须是窄到一定程度的短脉冲，彳能泌剐出 回波脉冲，同时还应考虑到处璞信号的孵闯问题，从丽对赫7 i t 发射和黼波信弩处理的f l 三蹿 设计提出了较嶷豹要求。 4 内漱古人学联i 二学位论义 第三章硬件电路系统设计 嘏撵超声波躲冲翻波技术和数字信号处瑗壤论及方法静要求，竣毒手溅试系统豹疆俘电 路如檄图2 - 1 所示。熬个系统幽信号发生及袋样电路鄢分、信号处理电路部分、显西及控 制电 ， | 鳌| 2 - i 电路系统宝占构框幽 f i g 2 * tt h eb l o c kd i a g r a m o f c i r c u i ts y s t e m 其t p 程序设计调试郯分的作用是利用计算机设计、调试稷_ f 擎和编译生成f i ：编蝴抓义f ， ：， 通过定的通讯方式下载到d s p 芯片的片内或片外存储器中，然后测试系统u f 以脱离汁铬 艇独蠢：执行设定勰算法瞧彦健弼。计算规与d s p 芯片熊通讯霹出嚣秘方式实现：种是出 算机通过x d s 5 5 1 0 仿真器与d s p 芯片的仿岚，钡4 试口j t e g 相连接：另一种疑利用电缆将 诗葵税遴过势行臼经蠢一定静接口毫路，与d s p 芯片懿h p i ( h o s t p o r t i n t e r f a c e ，郅1 蠢壤端 阳接口) 相连f 对这一部分没有必要进行详细描述，下面详细介绍完成检测方法研究的实 验系统巾另外死部分硬件电路。 + 2 + 1 俊号发生及采样电路 在这部分电路中，主要包撼魏端电黯、网步电路和a d 采样电路三大块。 内敛古人学颂i ：学位论文 2 1 1 前鳞电路： 前端电路由脉冲触发电路、预处理电路构成。 1 1 脉冲触发电路： 这部分电路包括脉冲发生电路和放大电路，其作用是利用经过放大而具有足够能量的 周期电脉冲激励超声波探头( 换能器) 产生超声波脉冲，用来检测薄板粘接界面。脉冲发 生电路以7 4 l s l 2 3 和7 4 l s 0 0 为主构成，产生周期为2 0 0 u s ，低电平脉宽为l o o n s ，幅度为 4 2 v 的冽期件脉冲放大电路部分首先l ha 5 6 2 对周期电脉冲进行第一级放大，其次 i r f 8 3 0 完成第二级放大，此时电脉冲的幅度可达1 3 0 v ，而脉冲周期和占空比保持不变，从 而使激励脉冲具有足够的能量来激励探头发出超声波短波。电路如图2 - 2 所示。 | ! e l2 - 2 脉冲发生电路 f i g 2 2t h e c i r c u i to f g e n e r a t i n gi m p u l s e 2 ) 预处理电路部分： 7 在这部分电路中，自探头与被测物界面返回的反射波等被转换成电信号，并进行整流、 检波、滤波及动态调整等预处理。电路的具体功能如图2 3 所示，描述如下： 首先，接口电路完成包括回波在内的信号的接收。根据使用示波器对接收到的信号观 察，该信号关于时自j 轴基本呈对称分布，截取信号中的f 信号部分即可满足处理的要求， 所以这部分龟莒筹第一项功能是对接收信号进行整流处理。 其次，超声回波脉冲一次回波的周期大约是1 2 u s ，回波中有多个波峰。但由_ j i = 受到采样 率、器件性能等种种因素的影响，在对回波信号采样时很难保征采样点数据能够恰好为信 号的峰值，由此可能产：尘较火的误差。根捌刚波脉冲的特点，如粜对。次激j f i | l 后的波群 的整体走势进行分析，则i 】_ 以避免一些制约因素对信号处理的影响，同时可以降低分析叫 6 内蒙古人学烦l j 学位论文 问题的难度。这部分电路第二项功能对整流后的信号通过电容进行检波，即对该信号提取 峰值特征。并减少信号中的尖峰脉冲影响。 衍级i 乜路 幽2 - 3 接口电路功能幽 f i g 2 3t h ef u n c t i o no f i n t e r f a c ec i r c u i t 第三，接收回路的输入端直接与脉冲发送器( 即超声波探头) 相连而接收高压脉冲， 根捌测试，高压脉p 的幅度可达1 3 0 v 以上，必将对后级电路造成损坏；而且商压脉冲的存 在，将使反映真实情况的信号部分完全被淹没而无法进行分析，这也币是前端电路敬计的 难点之一。因此接口电路的第三项功能是去除回波信号中的高压脉冲( 也称之为始波) 部 分以防对后级电路造成损坏，同时提取接收到信号中的回波。 第四，山予a d 采样电路对输入的模拟信号幅值范围有一定的要求，如果信号q - ! | j 分 数据低于该动念范围的基限，则会出现信号“截底”；反之若过量超出浚范围的上限则可i 能 进行j f 常采样，甚至损坏a d 芯片。接1 ：1 电路的最后一项功能是调整回波脉冲信号的动念 范幽以满足a d 采样电路的要求。 2 1 2 同步电路： 为了d s p 芯片能够币确控制a d 采样， 必须使a d 采样：占片的动作周期与发射波信 号的激励周期同步起始，所以有必要出激励 脉冲周期信弓产：生+ 个同步信号输入到d s p 芯片外部中断引脚。同时同步信号的低电平 必须保持1 u s 以保证d s p 芯片能够萨确响应 中断信号。为此。将激励脉冲作为7 4 l s l 2 3 的输入信号产牛周期为2 0 0 u s ，幅度为3 v 的 | 鳘| 2 - 4 同步电路 f i g 2 4s y n c h r o n o u s c i r c u i t 脉冲，一路输出到d s p 芯片外部扩展总线的中断雨亍石引脚作为并行a d 采样的同步控制信 内肇古人学颂i 学位论文 号，另一路则作为选通信号输出到接口电路部分，电路结构如图2 - 4 所示。 2 1 3a d 采样电路： 本课题采用8 位c m o s 高速a d 采 样芯片t l c 5 5 1 0 对回被脉冲信号进行采 样，其最高采样速率可达2 0 m h z ，电路 如图2 5 所示。t l c 5 5 1 0 采用标准5 v 单 电压供电，其功耗一般只有1 3 0 m w ，具 有内部采样一保持电路、高阻态并行输 出及采_ j i 内部参考电阻结构确定模拟输 入信号范围等结构特点。 由二ft l c 5 5 10 对模拟输入信号动态 范围的严格要求，并且提供了几种可供 参考的电压区间。为了在实际应用中根 据需要方便调整数据，我们在电路中采 用一纽四位拨码丌关，即图2 5 中j p l j p 4 。具体设置参考依据如图2 - 6 所示， t l c 5 5 1 0 采用三个内部参考电阻产生 2 v 全程转换电压范围：r l 、r f e f 和 r 2 刈v i ) d 分址，对外连接分别设置引 脚r e f t s 、r e f t 、r e f b 、r e f b s 和 a g n d ，其相对连接产生针对数字输出 的2 v 标准电压输入。这罩我们定义模 拟输入信号的电压范网为o 5 v 1 5 v 。 在处理系统中，t l c 5 5 1 0 的采样速率设 | 兰| 2 - 5 t l c 5 5 1 0 电路 f i g 2 5t h e c i r c u i to f t l c 5 51 0 幽2 - 6t l c 5 5 1 0 内部参考l 乜阻 f i g 2 - 6i n t e r n a l - r e f e r e n c er e s i s t e r o f t l c 5 510 一一 定为s m b i t s , 工作时序如图2 - 7 所示，其对应的d s p 内部i o 地址为0 x 8 0 0 0 。如图2 - 5 所 示采样结果数据d 1 ，8 - ：t ：行输出到d s p 芯片并行数据i s i 的d 8 ，1 5 】引脚。 数：# 信号处理器对数据的采集通常采用中断的方式实现：当数据到来时，i 触d s p 发出 中断信号，d s p 接收到中断信号后暂停证常程序执行，进入中断服务予程序完成数据的接 空篓点叁堂塑! ：兰丝望塞 牧、夺镄僵同 l 重毽消耗了d s p 大量瀚孵鬻t 褥v c 5 4 1 0 静d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 功能可以解决这一问题，所以我们采用d m a 技术控制a d 采样。d m a 就是在没有c p u 平预下巍接在内存映射区域进行数据传递，可以很方便地操作内部存储器的数据及外部设 餐豹数摄。d m a 控巷4 器通过6 个独立可编程的逶遭逃行d m a 传送，每令通遂均可独立工 c l k 模拟输 徐虫 o t _ - 0 8 涮2 - 6 采撵瓣彦楚 f i g 2 _ 6s a m p l i n gt i m e t 律。当系统琵戆采棒霹，每次数据准螽好磊岛疑毽器粼簟3 弓l 踯发窭d m a 弼多信号。缝疆 器接收到同步信号后自动调用d m a 功能，把聚样数据自动放入内存缓冲区。 在处理器控制a d 芯片丌始进行采样之前酋先应对d m a 通道进孝亍初始化。在初始化 避程中旋礁定掰鑫躅夔d m a 遴道，零| 起d m a 王俸匏麓多事穆，d m a 搿要楚遴魏数缀豹 源地址和目的地址，源地址和嗣的地址所处的空间，地址的累加情况等。d m a 控制器的设 黉和搽豫逶过对d m a 寄存器( m m r ) 静设饕寐实蕊，这些寄存嚣遥过个u 缝舞：表映射 ( 见附激2 ) 。本文所采用的并行削d 袋样的d m a 初始化设置如下： m m r ( 5 5 h ) = # 0 5 h；s e l e c td m s r c l 。d m s a ：s e ts o u r c ea d d r e s st od r r l 0 m m r ( 5 7 h ) - - - # 8 0 0 0 h；s e l e c td r r l 0 d m s d n ；s o u r c ea d d r e s si s8 0 0 0 h m m r ( 5 5 h ) = # 0 6 h ；s e l e c td m d s t l ，d m s a m m r ( 5 7 h ) - - # 3 0 0 0 h ；s e td e s t i n a t i o na d d r e s st o3 0 0 0 h m m r ( 5 5 h ) = # 0 7 h ：s e l e c td m t r c l ，d m s a m m r ( 5 7 h p 群1 2 8；s e tb u f f e rs i z e m m r ( 5 5 h ) - - # 0 8 h ；s e l e c td m s f c l 。d m s a m m r ( 5 7 h ) = # l ll o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b ；d e f i n ed m s d n 0 x e 0 0 0 一 m m r ( 5 5 h ) - - # 9 h ；s e l e c td m m c r l ，d m s a m m r ( 5 7 h ) = # 0 1 0 1 o o l o l1 0 1 b m m r ( 5 5 h ) = # 2 0 h；s e l e c td m j d x 0 ，d m s a m m r ( 5 7 h ) = # 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l b ：s e te l e m e n ta d d r e s si n d e xt o + m m r ( 5 4 h ) = # 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 b ；s e t # 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 l o b d m p r e c 9 内激古人学颁i ：学位论文 2 2 信号处璎电路： 尽管d s p 芯片为各种信号处理算法在嵌入式系统中实现提供了许多相关的硬件结构支 持，餐楚嚣发激舞效鹣d s p 黎净遣富籀当瓣难度。本谍嚣采璃 6 整定点d s p 芯片髂为核心 处理器，在使用汇编谮占编写算法程序时遇到了不少问题。这一部分主要介绍应用d s p 信r 吁 处壤系统甜的一些关键闯题、鞠关设黉及程序片段。 2 。2 。l 蝴鼍量毒：蕃冀缝糖 信号处理电鼹部分以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 芯片爻核心构戏。与凿通芯片越缨电方式不 嘲为实观低功耗的目的，v c 5 4 1 0 的供电分为核心电压( 1 8 v ) 和i o 电压( 3 3 v ) 两部分， f 为魏在系统孛努矮采震t p s 7 6 7 d 3 0 1 霹5 v 毫藤转侏嚣分羯蠢鬟载。茂终，灸了绦话d s p 专终 围设备谯系统运行时刁；会形成相互干扰及数据通信的正确性，谯d s p 芯片的爿：行数捌l i1 j 外 设闯采蠲1 6 位双向缓冲7 4 l v 彳1 6 2 4 5 游行隔离怒菲常必要匏。 妊潮2 - 8 联示，v c 5 4 1 0 采翔围绕l 组程序慧线、3 组数据总线和4 组地址总线建寰的改 进型哈佛结构，其功能是：程序总线( p b ) 传送从程序存储器来的指令代码和立即数，能把 存链在稔痔空翔静数蠢侔麓搡撵鼗转送爨乘法器秘麓泫器孛避缮乘，热运算，袋者在数攘穆旗 指令中传送到数据空问；3 组数据总线( c b 、d b 和e b ) 连接c p u 、数据地址产生逻辑、程 滓地雏产，毛逻瓣、片内外围设备和数据存储器等，c b 和d b 总线传送献数据存储器读港的数 搬，e b 总线传送写入到存储器的数据；4 组地址总线( p a b 、c a b 、d a b 和e a b ) 传送执 行指令所需要的地址。 在程序设壬 + 过程孛会涉及戮总线豹复媛，掰以在设计输入、羧出数攥浚控制时必须逮过 使千| 地土l | ：信号、控制信号等合璃处理总线的分配问题。本课题设计的洲试系统定标功能接i | 帮尉瓣数据总绞懿双囱输入，输出磅麓，在楚趱数据输蹬与凌麓键信譬输入瓣溺邋鞋，程；嚣 d s p 芯姥的读，霹控制功能信号w w 和地址总线的舢、a l 短构成部分译码功能，实现对总线 占用的分时控制。 2 2 2 系统中断 在t m s 3 2 静v c 5 霹l 磅信号簸毽系统缀串，d s p 芯片内部嵇额电鼹穗辩郝2 0 m h z 麓蔽( 跨 接盎弓l 脚x l 和j = ；i 脚x 2 c l k i n 之日j ) 和内部振荡器提供的参考时钟信号倍频也路广：q j 频率 0 塑茎查叁堂堂! ：兰丝丝塞 高达1 0 0 m h z 的片内时钟，芯片内c p u 即工作在这一时钟频率下，而外设的工作频率则十h 对 较低，为解决c p u 与低速外设白j 的矛盾，使用中断资源则成为必不可少的手段。本文根据系 例2 - 8t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部结构 f i g 2 8t h e i n t e r n a ls t r u c t u r eo f t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 一 一 统需要设置了d m a c 5 ( d m a 通道中断) 、h i n t ( h p i 接口中断) 、b x i n t 2 ( m c b s p 2 发送 标志) 、t i n t ( 定时器中断) 、1 n t o ( 外部用户中断) 等中断。具体设置方法为通过对中断 标志寄存器i m r 的相应位进行簧位来启动中断，具体过程如下所示： 内敲古人学蝴i ：学位论史 i m r = # 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 | ： ；一l v 叫d m a c 5 ) ；l ( h l n t ) ；一l x r n t 2 )l ( t i n t ) 中断服务程序的位蔑( 即中断矢爨) 在中断矢量浅中设黑。在t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的中断 淘量袋大小为一页( 1 2 8 个字) ，串凝矢量可班被映射戮除僳留区域外豹任旃一页开受，每 个中断矢量占4 个字，中断向量表的入口地址出p m s t 中的中断指针区( i p t r ) 字段后补 幽2 9 哮i 辑擞纷流张 f i g 2 - 9f l o wd i a g r a m o f i n t e r r u p to p e r a t i o n 7 令零褥列，每令孛叛对应豹中叛矢量媳蛙由i p t r 字段惹热t - 舞囊中叛豹地娥数摄愿别。 内截古大学顿i ：学位论文 在系统运行过程中。对中断请求的响应过程如图2 - 9 所示。 2 2 3 内存资源分配 在编写信号处理算法程序的过程中，不可避免的会遇到内部存储器分配问题。v c 5 4 1 0 将片内存储器资源映射成程序空间、数据空问和i o 空间。所有c 5 4 x x 系列处理器都有随机 存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) ，其中片内r o m 是程序空间的一部分，也可以作为 数据空间的一部分，因此存储空间的合理设置可以有效提高程序的运行效率。处理器模式寄 存器p m s t 的以f 标志位决定存储器映像：m p m c ( 微处理器微机模式位，丌放或禁止对 片内r o m 寻址) 、0 v l y ( r a m 区映射位，决定片内双操作r a m 是否映射到程序存储空间) 、 a v i s ( 地址可访问设置位，决定是否可以从外部引脚访问程序存储器) 、d r o m ( 数据r o m 位，决定片内r o m 是否映射到数据存储器空间) 。本文选择d s p 工作在o v 【y = l 、a v i s = 0 、 d r o m - - 0 、的微机模式下( m p m c = 0 ) ，这样就设定为c p u 可对片内r o m 寻址片内r o m 不映射到数据空间，d a r a m 映射到数据空间和程序空间，结果如表2 1 所示。 表2 - i 内存映射( m p m c - c 0 、o v l y = i 、a v i s = 0 、d r o m = 0 ) t a b l e 2 - im e m o r y m a p ( m p m c 2 0 、o v l y = l 、a v i s 2 0 、d r o m = 0 、 物理存储器 寻j ：| i = 空间地址范嗣 类型容姑( w o r d ) 0 0 8 0 h 1f f f h片内d a r a m8 k 2 0 0 0 h 一7 f f f h片内s a r a m l2 4 k 挂序空问 c o o o l l f f f f h片内r o m1 6 k 1 8 0 0 0 h l f f f f h片内s a r a m 23 2 k o 0 0 0 h - - 0 0 5 f hm m r9 6 数据空间 0 0 6 0 h o o g o hs c r 汀c hp a dr a m3 2 0 0 8 0 h - lf f f h片内d a r a m8 k 2 0 0 0 h 7 f f f h片内1 s a r a m i2 4 k 在初始化过程中，主机要向d s p 下载调试内核，该内核所占地址为0 x 0 0 8 0 h - - - - 0 x 0 1 7 f ： 另外协议规定了一块地址为0 x 1 0 0 0 0 x 1 0 0 9 的公用通讯缓冲区以便主机和d s p 相互交换 数据。这两块地址空问在编写程序的程序区和地址区时必须保持不被占用，否则将会出现错 一一一 误。 2 3 显示及控制电路 在硬件系统的末端，我们以数字比例的形式显示处理结果，相应设计了一套艋示电路， 堕墼蔓叁兰堡! ：竺堡堡兰 主要出八缓冲器，线驱动器7 4 l s 2 4 4 、d 锁存器7 4 l s 3 7 3 和八输入与非门7 4 a l s 3 0 a n 构成 并且将处理结果以数码块和发光二极管显示。 这部分电路中。电路结构框图如图2 1 0 所示， 同时，我们把测试系统的定标控制功能设置存 具体描述如下。 第一，电路最终显示的数据出d s p 的计算结果决定，为此我们将d s p ：醛片的数据总线 扩展端的d o 一一d $ 位连接到显示输入端，通过缓冲器驱动数码块及发光二二极管同步显示检测结 果，相应的显示译码过程如表2 2 所示； 幽2 一t o 显示电路结构 f i g 2 - 1 0t h e s t r u c t u r eo f d i s p l a yc i r c u i t 第二， “于数据总线可以进行双向数据传输，为了增加系统的扩展丌发能力，存最示电 路中加入输入接口，利用八个输入按键经过缓冲器向数据总线输入信号，用以实现测试系统 的数据定标控制。此时为避免d s p 总线中输出数据与输入数据的冲突，给显示电路增加控制 信号r w 、内存数据选通信号m s t r b 及地址信号a 0 、a l ( 连接到d s p 芯片的地址总线) 。 表2 - 2 泽码表 t a b l e 2 2c o d i n gt a b l e 检测l e d 泽码值发光管译码值 等级 d 7d 6晚d 4d 3d 2d ld oy oy iy 2y 3y 4 空气ooo0 10001 10 00 00 00 0 0o lllll101 11 1o oo oo o - 3 一一0lllj00 11 11 1l l0 00 0 70lll001ol l 1 1l i1 lo o 9ollll0ill li ll ll il l 相应的显示驱动程序片段如卜所示。程序q i 作如卜i 5 簧： a ) 边界丌关处于内存区3 2 k 范围： b ) 出于d s p 芯片的的c l k o u t 输出等于1 ( d i v f c t + 1 ) 的d s p 时钟，这晕我们选择 4 内敛古人学坝l 岸位论文 不分频工作模式，因此将b s c r 的d i v f c t 值置为o o 。 a = m m r ( 2 9 h ) 料# 0 9 胁 a = a i 撑0 1 5 0 0 0 h a = d i s p n u r n ；g e tt h en u m b e ro f d i s p l a y a + = # 1 c d t a b l e ；g e tt h ed i g i t a lm b ed e c o d et a b l ea d d r e s s a r 2 = a n o p a = * a r 2 t e m p 2 a a r 2 = # t e m p a = # 8 0 0 0 h b = a + # 0 a h 1 6 a = 撑2 a = b + a n o p n o p p r o g ( a ) 2 + a t 2 a = m m r ( 2 9 h ) a = a & # o 胁 m m r ( 2 9 m = a r e t u m 5 内敏古人学坝i ? 学位论义 第三章债号处理算法及实现 目前，针对薄板粘接界面状态的研究是超声检测领域研究的热点之一。从信号处理的角 度来看，超声波回波信号是一种处于复杂干扰状态下的平稳随机过程，其中干扰源既有超声 波发射波自身，也有电路中电子器件的热噪声、背景环境的电磁辐射、机械震动及对模拟信 号抽样时产生的量化噪声等等，客观上无法得到完全纯净的回波信号。 同时，经过大量的重复实验发现，在去除强干扰后识别的回波信号又具有一定的统汁胤 律性，所以在本课题中我们对一次激励后产生的回波群进行整体分析，而不是对每一个叫波 进f j ：研究。 # 在对回波信号进行处理时，本文从两个角度出发：第一，从时域的角度，研究叫波脉冲 信号的形态随时间变化的规律，抽取必要的特征量( 如能量、衰减系数、幅值等) 作为对信 号所处状态判断与识别的依据：第二，从频域的角度，研究不同情况下回波信号的频谱响应 变化，探索不同粘结程度样块上的回波的中心频率变化差异，从中总结出规律。 奉课题采用回波法分析问题，同时满足以下几个条件： a ) 超声发射波为具有一定带宽的带限高频脉冲信号，即具有高斯包络的脉冲波： b ) 回波中迭加有于信号不相关的高斯分布的白噪声，且散射波信噪比较低： c ) 反射波的幅度远大于散射波； d ) 回波随深度增加产生于频率相关的衰减： e ) 超声声场为一维平面波： f ) 两界面问的距离大于声波的纵向分辨率。 3 1 时域分析： 在超声检测研究的历史上，时域分析方法因为在技术手段上较易于实现，在超声波回 波检测法中较常采用。时域分析通常可以从三个角度进行： 3 1 1 能量算j 五一。 超声波在介质中传输时会有或多或少的损耗，故其幅度和强度要随距离的增加而减少， 也“j 以理解为超一i 波在传播过程 j 能量彳；停地衰减，主婴表现为超声酬波振幅的减小蜘i 图 t 3 一l 所爪对一次激励后的【| i i j 波脉冲样本信号采样结果图形( 纵坐标为归一化的电j