基于ARM和FPGA的嵌入式超声探伤系统

　　1 引言

　　超声技术是无损检测的一种重要方法, 很多数字探伤仪以单片机(MCU)为核心, 单片机固有的性能瓶颈制约了仪器的性能指标和功能扩展, 存在存储体积太小、实时性低等缺点。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 (Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列) 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、FP-GA、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。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(共 128MB), 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。Linux 操作系统存储在 Flash 上, 探伤数据和图像暂存在 DOC (Disk On Chip)。液晶显示器 LCD(Liquid Crystal Display)已经成为现代仪表用户界面的主要发展方向, 它不仅省电, 而且能显示大量的信息, 如各种文字、曲线等等, 本项目采用 320240 的 256 色的真彩色液晶显示器。

　　当系统开始运行时, 探伤工人首先设置仪器参数, 然后ARM向 FPGA 的相应寄存器下载参数, FPGA 产生一个窄的脉冲来触发超声探头发射超声。

　　FPGA 控制ADC(Analog- Digital Converter)以 60MHz 的速度采集回波信号, 超声信号经过FPGA 滤波后, 再被压缩成 LCD屏幕的宽度, 超声回波图像和检测结果在LCD 屏幕上显示。DAC(Distance Amplitude Compensation) 曲线和报警闸门也用于辅助探伤 。图2(a)是我们设计的超声探伤仪样品 , 图2(b)内部结构图。

　　3 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。