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基于S3C2440微处理器的工业超声探伤仪设计

汕头超声仪器研究所 谢晓宇 陈和坤?? 2009年05月18日 ?? 收藏0

  超声探伤仪广泛应用在航空航天、石油化工、冶金造船等行业,用于检测金属或非金属内部缺陷以及分析材质,是无损检测领域重要的检测仪器之一。

  超声探伤时,应用得最多的是A型显示,如图1所示。在A型显示中,横坐标代表被测物的深度,纵坐标代表回波信号的幅度。

A型显示

  目前同内生产的数字式超声探伤仪仍主要以单片机为核心,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,与国外先进水平相比,国产产品技术水平仍有较大的差距。

  本文介绍的新型嵌入式数字超声探伤仪以32位RISC CPUS3C2440为控制中心,以高性能FPGA Spartan3为信号采集及处理核心,并辅以功能强大的Linux操作系统和MiniGUI图形库,实现了一款性能卓越、功能丰富的新型嵌入式超声探伤仪。

  设计思想与总体方案

  本设计中的嵌入式探伤仪由两部分组成,一部分是模拟信号前端,包括超声发射接收电路及电源电路;另一部分是数字信号采集处理及控制后端,简称超声主控计算机,也是本文主要介绍的部分。系统硬件的总体框图如图2所示。

系统硬件的总体框图

  系统中选用S3C2440处理器,内嵌ARM920T核。本设计应用了这款芯片的诸多特点:高达203MHz的主频;内部集成LCD控制器 (STN&TFT);3路异步串行通信接口;内置看门狗定时电路及实时时钟(RTC);内部集成两路USB host和一路USBdevice;对嵌入式Linux良好的支持等。

  MiniGUI则是一个基于Linux、面向嵌入式系统的轻量级图形用户界面支持系统。它包含全部功能的库文件大小为300 kB左右,可以根据开发的需要自行进行配置和编译,特别适合作为嵌入式Linux系统的图形平台。

  在超高速数据采集方面,本系统中选用的Spartan-3结构与Virtex-II类似,1.2V内核,其在超高速数据采集和信号处理方而有着明显的优势。 在仪器性能方面,为了保证数字超声探伤仪0.01mm的检测精度和0~6000mm可变探测范围,在FPGA中主要进行如下数字信号处理:

?60MHz硬件采样速率通过四次移相时钟处理,实现等效240MHz高采样率
?数字滤波,程控带通FIR滤波器保证对0.5MHz~15MHz回波信号的良好数字滤波
?数字检波,包括正向、负向、双向及RF检波
?智能提取(提取点动态分配算法以保证显示波形的水平线性)
?实时探伤报警(硬件报警闸门)

  在仪器功能方面,充分利用ARM+Linux嵌入式系统的优势,扩展网络、USB等丰富接口,使得仪器可以实现PC机端Windows下的上位机软件和探伤仪上的LCD同步实时显示,随时下载探伤参数和上传探伤数据与图片,并使机器能连接U盘、移动硬盘、USB打印机等诸多设备。

  本设计采用最新的Linux内核(Linux2.6.16),系统在响应速度、驱动功能等诸多方而都远远优于传统的2.4内核。在本项目开发过程中,采用的是网络文件系统;在最终的产品上,采用的是在DOC(MTD)上的ext2文件系统。

  系统硬件资源分配

  总线分配

  S3C2440地址总线内部是32位(4G),外部27位(128M)。数据总线宽度为32位。当外设芯片与CPU相接时,主控计算机的数据总线宽度可设置为32位、16位或8位模式。设置是在BWSCON寄存器中的DW位实现的。各外部设备的总线接法如表1所示。

各外部设备的总线接法  

  外部地址空间分配

  S3C2440提供8路片选,nGCS[0~7],每个片选都指定了固定的地址,每个片选固定间隔为128MB。

  本系统中各外围接口设备所对应的地址空间分别为:

  (1)NOR FLASH,nGCS0,接的是一片8M×16位数据宽度的INTEL TE28F128 FLASH,用于存放ppcboot引导程序和Linux内核;

  (2)网络芯片DM9000,使用nGCS1,用于网络传输收发数据的转存;

  (3)DOC,使用nGCS2,存放文件系统包括管理程序、系统命令等;

  (4)FPGA连接nGCS3,nGCS4;keyboard+led使用nGCS3,前端数字信号处理使用nGCS4。

  (5)主控计算机内存由两片16M×16位数据宽度的SDRAM构成,两片拼成32位模式,共用nGCS6。共64M RAM,用于动态数据缓存。


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S3C2440? 超声探伤仪? A型显示?

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