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基于ARM和FPGA的嵌入式超声探伤系统 [日期：2008-5-16] 来源：微计算机信息? 作者：陈节省 王强 王艳 沈毅 [字体：大 中 小] 摘要：进行数字信号处理，利用TCP/IP协议实现C/S模式下的数据传输，实现了超声探伤的跨平台远程监控。嵌入式探伤仪通过多线程技术进行多任务处理，集超声探伤、数据存储、网络通信于一体。 关键词：ARM；FPGA；嵌入式；超声探伤 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[1-2]。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、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（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320 240的256色的真彩色液晶显示器。 图1 硬件结构图 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。 图2 超声探伤仪 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。 ??????????????????????????????????????????????(1) 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。 4 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。本设计采用必威体育精装版的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。 图3 应用