基于ARMA型脉冲超声波探伤系统设计 .pdf
基于ARM的A型脉冲超声波探伤系统设计
摘要:超声波检测技术在无损检测中发挥着重要的作用。超声波
探伤系统具有检测速度高、数据处理灵活、适应范围广泛、检测精
度高以及检测方便等优点。国内超声波探伤系统正逐步向数字化、
便携式方向发展,因此设计出小型化、多功能和人性化的超声波探
伤系统是一种趋势。本文根据超声波探伤系统的原理和性能指标的
要求,将arm技术应用于超声波探伤系统的电路设计中,以嵌入式
处理器arm和大规模可编程阵列fpga为核心进行研制,结合人性
化的应用软件界面,采用了arm+fpga的硬件架构和嵌入式操作系
统相结合的设计思想,设计了一款满足性能要求的a型脉冲超声波
探伤系统。
关键词:超声波探伤;arm;fpga
中图分类号:tp274文献标识码:a文章编号:1007-9599(2013)
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1系统总体设计思想
针对需求,本文所设计的基于arm的超声波探伤系统,趋向于小
型化、功能化、人性化,能满足复杂的现场环境。既可以使用cskia、
iiw、cs-1-5等常见试块,也可使用自制的、非标准的试块,针对
单晶直探头、单晶斜探头、双晶直探头的不同特点设定不同的校验
流程,使操作更切合实际,也更简便[1]。
超声波探伤系统由于要适用不同的室内外环境,所以便携式的超
声波探伤系统就产生了,因此设计时必须仔细考虑系统的体积和功
耗。arm作为一种嵌入式系统处理器,以高性能、低功耗、低成本
等优点占领了大部分市场,arm速度快,功能丰富,成本低廉,同
时为了提高实时性,还采用了fpga来进行高速数据的采集,并且
fpga的可重构技术可以减少在硬件开发的投入,因此,本文选择了
以arm为核心,结合fpga开展研究,选用高性能的嵌入式系统设
计,结合模块化和层次化的设计思想,将软件和硬件有机的结合在
一起,为以后升级和更新提供便利[2]。
2系统底层硬件平台设计
硬件部分主要是以arm为中心,采用arm+fpga的方式进行设计,
硬件部分主要分为数字部分和模拟部分,还有其他的辅助部分如电
源、显示和接口。
硬件系统中的数字部分由arm、fpga、数据存储器、程序存储器、
键盘接口、打印接口、显示、高速a/d及实时数据压缩组成,它们
都在时序电路的协调下工作。其中arm是控制中心及处理单元,fpga
完成数字信号的预处理,高速a/d是数字部分与模拟部分的连接点,
完成模拟信号到数字信号的转换。系统硬件框图如图1所示。
图1系统硬件框图
数字部分的电路主要由arm、fpga、flash、ram等几个部分组成。
其中arm选用了atmel公司的32位的arm微处理器
at91r40008-66au,fpga选用了xinlinx公司的xc2s50e-6tq144i,
flash选用了st公司的16mbit的m28w160cb-70n,ram选用了
cypress公司的16mbit的cy62167dv30-55zxi。
数字部分的信号处理在整个系统中起关键的作用。在系统中,arm
作为整个系统的核心,是控制中心。数据的采集、数据存储和数据
读取均由fpga控制,同时模拟部分的一些控制信号也由fpga来实
现控制。本系统中选用了flash来实现高速存储,为操作系统和应
用程序提供存储介质,同时存储通道数据和波形数据[4]。
硬件系统中的模拟部分由超声波信号预处理通道、多路转换开
关、可控增益放大器以及检波缓冲器组成,它们都是数字可控的,
其功能由数字部分fpga来直接进行选择调节。
模拟电路部分包括发射和接收两部分,前者根据数字逻辑要求发
射超声波信号,后者是对接收的超声波信号进行放大、检波、滤波
的过程,最终通过a/d转换,转变为数字信号,由fpga进行信号
处理。具体包括脉冲发射电路、探头选择电路、增益控制电路、滤
波频带电路、检波滤波电路和a/d转换电路等。所有的控制信号均
由数字部分的fpga来提供。设计过程中,通过选择低噪声、低漂
移、高精度、高可靠性的集成芯片,提高了模拟电路的可靠性,保
证了系统的垂直线性、动态范围、探伤灵敏度、分辨力等重要技术
指标的到很好的实现[5]。
模拟电路流程图如图2所示。
图2模拟电路流程图
3系统软件层设计
软件采用模块化设计,每一个模块自称