基于S3C2440微處理器的工業(yè)超聲探傷儀設計

　　超聲探傷儀廣泛應用在航空航天、石油化工、冶金造船等行業(yè)，用于檢測金屬或非金屬內部缺陷以及分析材質，是無損檢測領域重要的檢測儀器之一。

　　超聲探傷時，應用得最多的是A型顯示，如圖1所示。在A型顯示中，橫坐標代表被測物的深度，縱坐標代表回波信號的幅度。

　　目前同內生產的數字式超聲探傷儀仍主要以單片機為核心，單片機固有的性能瓶頸制約了儀器的性能指標和功能擴展，與國外先進水平相比，國產產品技術水平仍有較大的差距。

　　本文介紹的新型嵌入式數字超聲探傷儀以32位RISC CPUS3C2440為控制中心，以高性能FPGA Spartan3為信號采集及處理核心，并輔以功能強大的Linux操作系統(tǒng)和MiniGUI圖形庫，實現了一款性能卓越、功能豐富的新型嵌入式超聲探傷儀。

　　設計思想與總體方案

　　本設計中的嵌入式探傷儀由兩部分組成，一部分是模擬信號前端，包括超聲發(fā)射接收電路及電源電路；另一部分是數字信號采集處理及控制后端，簡稱超聲主控計算機，也是本文主要介紹的部分。系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)中選用S3C2440處理器，內嵌ARM920T核。本設計應用了這款芯片的諸多特點：高達203MHz的主頻；內部集成LCD控制器(STN&TFT)；3路異步串行通信接口；內置看門狗定時電路及實時時鐘(RTC)；內部集成兩路USB host和一路USBdevice；對嵌入式Linux良好的支持等。

　　MiniGUI則是一個基于Linux、面向嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)。它包含全部功能的庫文件大小為300 kB左右，可以根據開發(fā)的需要自行進行配置和編譯，特別適合作為嵌入式Linux系統(tǒng)的圖形平臺。

　　在超高速數據采集方面，本系統(tǒng)中選用的Spartan-3結構與Virtex-II類似，1.2V內核，其在超高速數據采集和信號處理方而有著明顯的優(yōu)勢。 在儀器性能方面，為了保證數字超聲探傷儀0.01mm的檢測精度和0～6000mm可變探測范圍，在FPGA中主要進行如下數字信號處理：

　　·60MHz硬件采樣速率通過四次移相時鐘處理，實現等效240MHz高采樣率
　　·數字濾波，程控帶通FIR濾波器保證對0.5MHz～15MHz回波信號的良好數字濾波
　　·數字檢波，包括正向、負向、雙向及RF檢波
　　·智能提取(提取點動態(tài)分配算法以保證顯示波形的水平線性)
　　·實時探傷報警(硬件報警閘門)

　　在儀器功能方面，充分利用ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢，擴展網絡、USB等豐富接口，使得儀器可以實現PC機端Windows下的上位機軟件和探傷儀上的LCD同步實時顯示，隨時下載探傷參數和上傳探傷數據與圖片，并使機器能連接U盤、移動硬盤、USB打印機等諸多設備。

　　本設計采用最新的Linux內核(Linux2.6.16)，系統(tǒng)在響應速度、驅動功能等諸多方而都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4內核。在本項目開發(fā)過程中，采用的是網絡文件系統(tǒng)；在最終的產品上，采用的是在DOC(MTD)上的ext2文件系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)硬件資源分配

　　總線分配

　　S3C2440地址總線內部是32位(4G)，外部27位(128M)。數據總線寬度為32位。當外設芯片與CPU相接時，主控計算機的數據總線寬度可設置為32位、16位或8位模式。設置是在BWSCON寄存器中的DW位實現的。各外部設備的總線接法如表1所示。

　　外部地址空間分配

　　S3C2440提供8路片選，nGCS[0～7]，每個片選都指定了固定的地址，每個片選固定間隔為128MB。

　　本系統(tǒng)中各外圍接口設備所對應的地址空間分別為：

　　(1)NOR FLASH，nGCS0，接的是一片8M×16位數據寬度的INTEL TE28F128 FLASH，用于存放ppcboot引導程序和Linux內核；

　　(2)網絡芯片DM9000，使用nGCS1，用于網絡傳輸收發(fā)數據的轉存；

　　(3)DOC，使用nGCS2，存放文件系統(tǒng)包括管理程序、系統(tǒng)命令等；

　　(4)FPGA連接nGCS3，nGCS4；keyboard+led使用nGCS3，前端數字信號處理使用nGCS4。

　　(5)主控計算機內存由兩片16M×16位數據寬度的SDRAM構成，兩片拼成32位模式，共用nGCS6。共64M RAM，用于動態(tài)數據緩存。

　　中斷資源分配

　　S3C2440可處理56路中斷，其中24路為外部中斷EINTn。板上擴展的外設接口中，網絡接口芯片DM9000使用EINT0。FPGA擴展中斷資源為EINT1、EINT2、EINT3、EINT4、EINT5、EINT6及EINT7。鍵盤用EINT2，前端圖像數據更新用EINT3，回波頻率測試數據更新用EINT4，系統(tǒng)關機按鍵用EINT1。其他中斷信號保留。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件的總體框圖如圖3。

　　超聲探傷系統(tǒng)同時要處理的任務比較多，而且實時性要求高，因此在探傷應用程序中使用多線程技術。在保證系統(tǒng)能夠快速響應的同時，還能夠實現豐富的功能。和單線程相比，多線程程序可以并行執(zhí)行多個操作，所以事件可以在他們到達后立刻得到處理。本系統(tǒng)可以分為四個線程，在主線程中，用MiniGUI實現實時探傷、參數下載和報表打印三個模塊的功能，另外創(chuàng)建三個輔助線程，分別為：

　　讀數據線程，用于讀取實時探傷數據；讀鍵盤線程，讀取鍵盤上被按下的按鍵鍵值，然后再通過SendMessage(hWnd，iMsg，wParam，lParam)發(fā)送一個按鍵消息，此消息將在MiniGUI的主窗口過程函數中進行處理；網絡線程，向上位機傳送探傷數據，并接收上位機的控制命令。 

　　測試及結論

　　經檢測表明，本設計樣機的功能和指標達到或超過國家行業(yè)標準JB／T 10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》的要求。其中，超聲探傷儀最重要的指標一一探傷靈敏度佘量高達68dB(同家標準規(guī)定不低于46 dB)，而薄板分辨力小于1mm(國家標準規(guī)定不高于3mm)。

　　另外，經專業(yè)探傷專家試用，樣機能很好地應用于超聲探傷難度最大的大鍛件粗晶材料的探傷現場?，F場試用情況表明，儀器信噪比高，抗干擾能力強。

　　試用證明，本嵌入式數字超聲探傷儀設計項目具有性能優(yōu)異、可靠性高、界面友好、操作方便、性價比高等諸多優(yōu)點，在國內工業(yè)超聲探傷儀領域處于領先水平。