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基于S3C2440微處理器的工業(yè)超聲探傷儀設(shè)計(jì)

作者:汕頭超聲儀器研究所 謝曉宇 陳和坤 時(shí)間:2008-09-10 來(lái)源:EDN China 收藏

  廣泛應(yīng)用在航空航天、石油化工、冶金造船等行業(yè),用于檢測(cè)金屬或非金屬內(nèi)部缺陷以及分析材質(zhì),是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域重要的檢測(cè)儀器之一。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/87898.htm

  探傷時(shí),應(yīng)用得最多的是A型顯示,如圖1所示。在A型顯示中,橫坐標(biāo)代表被測(cè)物的深度,縱坐標(biāo)代表回波信號(hào)的幅度。

  目前同內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)字式仍主要以為核心,固有的性能瓶頸制約了儀器的性能指標(biāo)和功能擴(kuò)展,與國(guó)外先進(jìn)水平相比,國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)水平仍有較大的差距。

  本文介紹的新型數(shù)字超聲以32位RISC CPUS3C2440為控制中心,以高性能 Spartan3為信號(hào)采集及處理核心,并輔以功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)和MiniGUI圖形庫(kù),實(shí)現(xiàn)了一款性能卓越、功能豐富的新型超聲探傷儀。

  設(shè)計(jì)思想與總體方案

  本設(shè)計(jì)中的探傷儀由兩部分組成,一部分是模擬信號(hào)前端,包括超聲發(fā)射接收電路及電源電路;另一部分是數(shù)字信號(hào)采集處理及控制后端,簡(jiǎn)稱(chēng)超聲主控計(jì)算機(jī),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(nèi)嵌ARM920T核。本設(shè)計(jì)應(yīng)用了這款芯片的諸多特點(diǎn):高達(dá)203MHz的主頻;內(nèi)部集成LCD控制器(STN&TFT);3路異步串行通信接口;內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC);內(nèi)部集成兩路USB host和一路USBdevice;對(duì)嵌入式良好的支持等。

  MiniGUI則是一個(gè)基于、面向嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng)。它包含全部功能的庫(kù)文件大小為300 kB左右,可以根據(jù)開(kāi)發(fā)的需要自行進(jìn)行配置和編譯,特別適合作為嵌入式Linux系統(tǒng)的圖形平臺(tái)。

  在超高速數(shù)據(jù)采集方面,本系統(tǒng)中選用的Spartan-3結(jié)構(gòu)與Virtex-II類(lèi)似,1.2V內(nèi)核,其在超高速數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理方而有著明顯的優(yōu)勢(shì)。 在儀器性能方面,為了保證數(shù)字超聲探傷儀0.01mm的檢測(cè)精度和0~6000mm可變探測(cè)范圍,在中主要進(jìn)行如下數(shù)字信號(hào)處理:

  ·60MHz硬件采樣速率通過(guò)四次移相時(shí)鐘處理,實(shí)現(xiàn)等效240MHz高采樣率
  ·數(shù)字濾波,程控帶通FIR濾波器保證對(duì)0.5MHz~15MHz回波信號(hào)的良好數(shù)字濾波
  ·數(shù)字檢波,包括正向、負(fù)向、雙向及RF檢波
  ·智能提取(提取點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配算法以保證顯示波形的水平線(xiàn)性)
  ·實(shí)時(shí)探傷報(bào)警(硬件報(bào)警閘門(mén))

  在儀器功能方面,充分利用ARM+Linux嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)、USB等豐富接口,使得儀器可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)端Windows下的上位機(jī)軟件和探傷儀上的LCD同步實(shí)時(shí)顯示,隨時(shí)下載探傷參數(shù)和上傳探傷數(shù)據(jù)與圖片,并使機(jī)器能連接U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、USB打印機(jī)等諸多設(shè)備。

  本設(shè)計(jì)采用最新的Linux內(nèi)核(Linux2.6.16),系統(tǒng)在響應(yīng)速度、驅(qū)動(dòng)功能等諸多方而都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4內(nèi)核。在本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中,采用的是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng);在最終的產(chǎn)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(xiàn)分配

  S3C2440地址總線(xiàn)內(nèi)部是32位(4G),外部27位(128M)。數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為32位。當(dāng)外設(shè)芯片與CPU相接時(shí),主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度可設(shè)置為32位、16位或8位模式。設(shè)置是在BWSCON寄存器中的DW位實(shí)現(xiàn)的。各外部設(shè)備的總線(xiàn)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(gè)片選都指定了固定的地址,每個(gè)片選固定間隔為128MB。

  本系統(tǒng)中各外圍接口設(shè)備所對(duì)應(yīng)的地址空間分別為:

  (1)NOR FLASH,nGCS0,接的是一片8M×16位數(shù)據(jù)寬度的INTEL TE28F128 FLASH,用于存放ppcboot引導(dǎo)程序和Linux內(nèi)核;

  (2)網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000,使用nGCS1,用于網(wǎng)絡(luò)傳輸收發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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)連接nGCS3,nGCS4;keyboard+led使用nGCS3,前端數(shù)字信號(hào)處理使用nGCS4。

  (5)主控計(jì)算機(jī)內(nèi)存由兩片16M×16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM構(gòu)成,兩片拼成32位模式,共用nGCS6。共64M RAM,用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)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(kuò)展的外設(shè)接口中,網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000使用EINT0。FPGA擴(kuò)展中斷資源為EINT1、EINT2、EINT3、EINT4、EINT5、EINT6及EINT7。鍵盤(pán)用EINT2,前端圖像數(shù)據(jù)更新用EINT3,回波頻率測(cè)試數(shù)據(jù)更新用EINT4,系統(tǒng)關(guān)機(jī)按鍵用EINT1。其他中斷信號(hào)保留。

  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件的總體框圖如圖3。

  超聲探傷系統(tǒng)同時(shí)要處理的任務(wù)比較多,而且實(shí)時(shí)性要求高,因此在探傷應(yīng)用程序中使用多線(xiàn)程技術(shù)。在保證系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)的同時(shí),還能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的功能。和單線(xiàn)程相比,多線(xiàn)程程序可以并行執(zhí)行多個(gè)操作,所以事件可以在他們到達(dá)后立刻得到處理。本系統(tǒng)可以分為四個(gè)線(xiàn)程,在主線(xiàn)程中,用MiniGUI實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探傷、參數(shù)下載和報(bào)表打印三個(gè)模塊的功能,另外創(chuàng)建三個(gè)輔助線(xiàn)程,分別為:

  讀數(shù)據(jù)線(xiàn)程,用于讀取實(shí)時(shí)探傷數(shù)據(jù);讀鍵盤(pán)線(xiàn)程,讀取鍵盤(pán)上被按下的按鍵鍵值,然后再通過(guò)SendMessage(hWnd,iMsg,wParam,lParam)發(fā)送一個(gè)按鍵消息,此消息將在MiniGUI的主窗口過(guò)程函數(shù)中進(jìn)行處理;網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)程,向上位機(jī)傳送探傷數(shù)據(jù),并接收上位機(jī)的控制命令。 

  測(cè)試及結(jié)論

  經(jīng)檢測(cè)表明,本設(shè)計(jì)樣機(jī)的功能和指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10061-1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件》的要求。其中,超聲探傷儀最重要的指標(biāo)一一探傷靈敏度佘量高達(dá)68dB(同家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不低于46 dB),而薄板分辨力小于1mm(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不高于3mm)。

  另外,經(jīng)專(zhuān)業(yè)探傷專(zhuān)家試用,樣機(jī)能很好地應(yīng)用于超聲探傷難度最大的大鍛件粗晶材料的探傷現(xiàn)場(chǎng)?,F(xiàn)場(chǎng)試用情況表明,儀器信噪比高,抗干擾能力強(qiáng)。

  試用證明,本嵌入式數(shù)字超聲探傷儀設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有性能優(yōu)異、可靠性高、界面友好、操作方便、性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)工業(yè)超聲探傷儀領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。

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