超聲波探傷儀的種類繁多，但在實(shí)際的探傷過程，脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用的最為廣泛。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。
超聲探傷時(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。
本文利用ARM9芯片和高速FPGA數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理技術(shù)，在Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型數(shù)字超聲探傷儀。該探傷儀具有高性能、低成本、外圍接口擴(kuò)展豐富以及低功耗等特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)思想與總體方案
本設(shè)計(jì)中的嵌入式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，簡稱超聲主控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖
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；3路異步串行通信接口；內(nèi)置看門狗定時(shí)電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘；內(nèi)部集成兩路USB host和一路USBdevice；對(duì)嵌入式Linux良好的支持等。
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)。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FPGA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?。ㄌ崛↑c(diǎn)動(dòng)態(tài)分配算法以保證顯示波形的水平線性）
◆ 實(shí)時(shí)探傷報(bào)警（硬件報(bào)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(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、移動(dòng)硬盤、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)目開發(fā)過程中，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
總線分配
S3C2440地址總線內(nèi)部是32位（4G），外部27位（128M）。數(shù)據(jù)總線寬度為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&TImes;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）FPGA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&TImes;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。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的總體框圖如圖3。
圖3 系統(tǒng)軟件總體框圖
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)用程序中使用多線程技術(shù)。本系統(tǒng)可以分為四個(gè)線程，在主線程中，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)輔助線程，分別為：
讀數(shù)據(jù)線程，用于讀取實(shí)時(shí)探傷數(shù)據(jù)；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(gè)按鍵消息，此消息將在MiniGUI的主窗口過程函數(shù)中進(jìn)行處理；網(wǎng)絡(luò)線程，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)到或超過國家行業(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（國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不高于3mm）。
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、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)工業(yè)超聲探傷儀領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。
