基于ARM和FPGA的嵌入式超声探伤系统

基于ARM和FPGA的嵌入式超声探伤系统

 

　　嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件和软件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。基于ARM的处理器具有良好的性能并在嵌入式系统中得到了广泛的应用。在超高速数据采集方面,FPGA有着单片机和DSP所无法比拟的优势。FPGA时钟频率高,内部时延小,全部控制逻辑由硬件资源完成,速度快,效率高,提供了强大的信号处理能力，用于超声信号高速滤波和压缩。基于ARM和FPGA的嵌入式数字超声探伤系统实现高速采集超声检测信号，拥有存储大量回波图像和数据的能力，而且实现了远程监控。2系统硬件结构系统的硬件结构图如图1所示，由ARM中央处理器、FPGA、超声模拟前端和一些外设接口组成。本系统采用S3C2410A是一个由三星公司生产的32位的ARM920T核的微处理器，它是专门为手提设备设计，采用哈佛总线结构，具有MMU、AMBA总线。S3C2410A提供了一套完备的外围接口，有利于系统的扩展[3]。FPGA用于对超声回波信号进行处理。尽管此系统自带的存储空间是有限的，但是我们可以通过USB接口将超声图像和数据转存到U盘。RS232用于嵌入式系统调试阶段并可以查看调试信息。DM9000是完全综合的、成本较低的单一快速以太网控制器芯片，具有通用的处理器接口，10/100M自适应，以及4K双字节静态存取存储器。通过DM9000，探伤数据可以传输到远程的计算机上。

　　信号处理FPGA主要对信号进行滤波和压缩。前端回来的回波信号含有很多干扰噪声，因此必须先经过滤波处理。采用FIR滤波器来消除噪声，由公式（1）定义，x(n)是输入的原始信号，y(n)是处理完的信号。FIR滤波器的优点是：系统总是稳定的，所有频率的输入信号产生同样的偏移，从而消除了相位扭曲。数据压缩是从每帧数据中提取屏幕宽度（为320）的数据用来表示这帧数据。提取算法必须确保每帧中最大的和最小的数据不能被漏掉，因此我们首先将数据分成320段，然后分别在每段中寻找最大最小值作为该段代表值。软件设计由于Linux系统具有源码开放、内核可定制裁减、实时性能好等特点，在嵌入式工业控制领域得到了广泛的应用。本设计采用最新的Linux内核（Linux2.6.16），使得系统在响应速度，驱动功能等诸多方面都远远优于传统的2.4内核。超声探伤系统同时要处理的任务比较多，而且实时性要求高，因此在程序中使用多线程技术。和单线程相比，多线程程序可以并行执行多个操作，事件可以在他们到达后立刻得到处理。如图3所示，本系统可以分为三个线程，分别为：(1)主线程用MiniGUI实现实时探伤、参数下载和报表打印三个模块的功能；(2)读数据线程用于读取实时探伤数据；(3)网络线程向上位机传送探伤数据并接收上位机的控制命令。

 

　　MiniGUI是嵌入式Linux系统下一个轻量级的图形用户界面支持系统,具有占用资源少、高性能、高可靠性和可配置等特点，该技术目前已比较成熟,并已成功应用到很多嵌入式项目。www.51kaifa.com远程监控是指将控制和网络结合起来，通过计算机网络技术实现在异地对现场设备的监测和控制。在国外，已有公司开发了AutoNDT软件，将网络技术用于超声探伤中，通过Internet实现了远程探伤诊断和联网，并具有强大的本地数据处理功能。由于超声探伤常用于比较重要的行业，如火车钢轨、锅炉等缺陷的检测，因此要求探伤数据准确性高，能够真实地、完全地再现检测检测现场的数据[5]。为实现这个目的，本项目网络连接采用TCP/IP面向连接的协议，来确保探伤数据传输的准确性。