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^[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。www.51kaifa.com

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 应用软件框架示意图

在探伤仪上，我们以MiniGUI为基础来实现界面功能，在上位机上使用VC++6.0来开发并采用WinSock技术来实现网络功能。 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^[4]。如图4所示，远程监控系统采用客户端/服务器（C/S）模式，将探伤仪器设为服务器，上位机设为客户端。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。

图4 网络系统结构图

探伤过程中，在上位机和探伤仪器上同步显示了同样的探伤波形及参数，在上位机上还可以通过网络向探伤仪下载仪器参数。因此，有经验的探伤专家可以通过上位机远程监测和指导探伤过程，或者当探伤环境比较恶劣或危险时，探伤人员就不用亲自到现场，只需在办公室里通过网络来遥控探伤仪进行探伤，大大提高了探伤的自动化程度与灵活性。

5 结语

利用FPGA在高速信号采集及数字信号处理方面的优势，ARM9 CPU强大的控制及接口功能，以及嵌入式Linux和MiniGUI为网络、可视化图形界面、多线程等编程提供的便捷高效的底层支持，免费和开放原码的优良特性，开发出的嵌入式通用探伤仪具有性能优异，功能丰富、可靠性高、界面友好、操作方便、性价比高等诸多优点，在工业数字探伤仪领域有极强的竞争力。另外，一方面，由于有高性能FPGA做底层支持，便于先进的信号处理方法在此仪器上的升级（比如说小波变换和时频分析理论应用于超声信号的处理）；另一方面，由于有功能强大，升级方便的Linux操作系统支持，为系统在硬件扩展和应用软件升级等方面都提供了极大的便利。设计的超声探伤系统具有完善的软件功能，通过TCP/IP实现C/S模式下的跨平台通信，可以对超声探伤进行远程监控。

参考文献：

[1]蔡利民．基于ARM的信息家电远程控制系统得设计[J].微计算机信息,2006,11-2,149-151

[2]廖高华, 余红粒, 唐钢．基于嵌入式计算机的超声检测系统[J].仪表技术与传感器,2006. 4www.51kaifa.com

[3]Samsung Electronics Co., Ltd.S3C2410A USER'S MANUAL, 2004

[4]KM.Abd El-Ghany; M.M.Farag; “AutoNDT:New Software for Remote Ultrasonic Scanning Via Internet”, NDTE International, Volumn:35,2002

[5]郭其一, 吴松, 贾鹏．基于网络的跨平台远程状态检测与故障诊断系统研究[J]中国科技信息,2005.11

导师批注：该论文结合实际项目的开发过程，详细阐述了通过ARM和FPGA构造嵌入式超声探伤系统的步骤，从硬件结构设计到软件设计全方面地总结了项目设计的要点，观点新颖，方案实用，可以作为一种嵌入式实施方案举一反三地移植到新的应用上。

创新观点：

1、 将ARM和FPGA构建嵌入式系统，并应用于超声检测系统，实现高速超声信号采集和处理，并且数据存储容量大。www.51kaifa.com

2、 构建跨平台网络通信系统，实现对超声探伤的远程监控，不但可以在远程监测超声探伤过程，还可以下载仪器参数控制探伤仪。