基于TMS320C6201的钢轨超声波探伤系统

　　1　引言

　　目前铁路路检部门的检测设备主要是手推式钢轨探伤仪。检测时由工人技师根据仪器显示屏上的超声波回波信号波形,依据过去经验判断钢轨是否有损伤,并需人工进行确认。这种探伤方式,主观性较高,效率较低,且不能得到损伤详细情况。同时,这种超声波探伤仪没有对检测信号记录和信息处理的功能,现场检测时依赖工作人员主观对仪器显示屏上的超声回波信号进行判断和手工记录,所以检测结果的准确性和可靠性有很大的随机因素。更重要的是,按照国际施工检验标准规定,超声波检测必须要有可靠和可信的现场记录。

　　因此,不论是从提高施工质量检验水平和管理水平,还是与国际标准接轨方面考虑,都有必要增加超声波探伤检验信息的智能化处理和自动记录功能。近年来,数字技术已经部分应用于超声波探伤设备中,这些探伤仪可分为以下两种类型:一种在传统的超声波探伤仪的基础上增加PC机系统组合而成,这种系统一般体积较大,不适合野外作业,使用不方便;另一种是在仪器使用单片机技术,对信号进行简单的采集、显示,但由于单片机芯片的性能限制,不能对数据进行实时处理,只是简单的数字化。

　　我们研制的探伤系统把现今最先进的数字信号处理器技术应用于超声波探伤仪,能够实时进行信号采集、处理、显示,具有信号存储,并可与PC机通讯的探伤系统。该系统分为硬、软件两部分。

　　2　系统概述

　　本研究项目是运用近年来数字信号处理技术方面的最新成果,研制出的一种新型钢轨超声探伤系统。本系统对比原探伤仪增加了对超声波回波信号进行数字化,并进行实时信号处理,信号分析,常见的损伤信号判断处理,损伤的类型确定并可具体计算损伤的相应大小及位置。现场使用时,把该系统的新功能和工人的经验相结合,可得到非常理想的结果。明显克服原仪器的不足,提高探伤的准确性和可靠性。并提高劳动效率,降低劳动强度。

　　另外,该系统对超声波信号进行存储记忆,与PC机进行通讯, 将数据存储在PC机上,为以后在PC机上实现对信号的再处理分析提供条件。系统的核心判断部分由软件算法来完成,这就为日后随着研究的深入,改进分析处理算法,升级系统提供较简便的方法。系统结构示意见图1所示。整个系统有三个部分组成。

　　超声波发送接受部分,包括超声波产生发射、接受、信号调理;DSP信号处理部分,包括数字信号采集、数据信号传输、 DSP数据实时处理、报警;显示部分主要将前部分处理后的信号及信号处理结果进行显示及存储、和 PC机的通讯。经超声波换能器(探头)发射并接受的回波信号经前端信号调理进行AD转换、采集,由DSP进行实时处理分析。处理的最后结果通过前端的PIC16F877 单片机(front MCU)进行永久存储并显示。

　　系统的信号存储器容量有限,需要定时将仪器内存储的信息保存到PC机上。通过仪器上的串口与PC机进行通讯,以便存储下载到微机上保存。可以对保存在微机上的信号利用我们编制的程序进行再现,或利用其他信号分析工具进行再分析。
 

　　3　信号处理设计

　　3.1　信号采集及数据传输设计

　　系统中的超声波换能器的标称工作频率为 2 MHz,实际由于探头的晶片显示和安装工艺的影响,实际频带范围在标称频率的±5%左右。根据采样定律,实际上采样频率至少应为信号的二倍,系统中我们的采样频率为5 MHz。为实现较高的采样频率和数字传输,硬件结构图如图2所示:AD转换器件 AD9042其采样频率为5 MHz,精度为12位,其时钟时信处理板上的时钟经分频提供。双口RAM采用两片IDT公司的IDT7042组成,容量为4K×32位。右端与C6201相连,占用C6201的CE3空间。左端与 AD9042之间采用FPGA进行连结,FPAG(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列,是一种半定制电路。通过对FPGA编制程序,FPGA控制AD启动和采样频率,并由FPGA存储A/D采样结果。超声波信号经过前端调理电路处理,信号进入 AD9042。采样的数据经FPGA锁存,同时FPGA通过LCE# LWE# DRACS选定一片双口RAM,通过地址产生器产生的地址,将数据存储到IDT7042 中。当数据存储满时,FPGA触发DSPC6201的外部 INT7中断,DSP运行中断处理程序,将数据存入到双口RAM中。同时,FPGA将采样的数据存储到另一片双口RAM中。DSP的存储操作不影响A/D采样。[page]

　　系统共有五个超声波换能器,五个通道的超声波信号经前端电路的分时复用进入信号处理部分。在没有损伤的情况下,理想波形如图3所示。

　　五个通道的复用频率为400 Hz,每个采样帧实际时间为1/400 s=2.5 ms,每个通道的采样时间 0.5 ms。实际有效数据采样时间为0.125 ms,采样频率为5 MHz,每通道的采样数据2.5K,实际有效采样数据帧为0.625K。通过向AD控制寄存器0× 3004000写入命令控制字0×13来启动A/D转换。采样数据由FPGA存储到IDT7042中,其低12位为采样值。当采集的数据达到2K时,通过FPGA触发DSP的INT7中断,DSP进入中断处理程序,启动DMA,将数据利用DMA传输到外部扩展存储器中。同时,采集的数据传输到双口RAM的另一个块中。由上面的分析可知,由于采样数据为2K时产生一次中断,传输的数据中并非全部为有效超声波信号,其中无效信号的传输会无故消耗系统的资源,增加信号处理的复杂度。所以对有效信号起点的判断非常重要。采用软件方法正确传输有效超声波回波信息,流程图见图4。

　　系统刚进入时,全部传输双口RAM中的2K 信号数据,通过对信号的分析,得出有效信号的起点,下次就可以对有效信号进行传输。这个过程,采集一定的数据帧数后重新进行一次有效起点判断, 实践证明这样可以抑止不断地误差积累。完全一帧信号采集传输完,就进入信号处理部分。

　　3.2　DSP

　　系统选用的是美国TI(Texas Instrument,德州仪器)公司的TMS320C62014DSP芯片。 TMS320C6201是TI公司于1997年开发的一种新型定点DSP芯片。其片内有8个并行的数据处理单元分为相同的2组。其采用甚长指令集结构VLIW (Very Long Instruction Word),将每个指令包分配到8个单元并行处理,具有强大的处理能力。同时, C6201的存储器寻址空间为32位,除芯片内部集成的128Kbyte的内部程序存储器和数据存储器,还可由外部存储接口EMIF(External Memory Inter- face)与高速大容量的同步动态存储器(SDRAM)、同步静态突发存储器(SBSRAM)进行相连,还可以方便与用于程序存储的静态存储器(SRAM)、只读存储器(EPROM,FLASH)相连。[page]

　　同时C6201内部集成有多种外围设备(peripherals),便于控制及和片外的存储器、串行设备等进行通讯。其4通道的自加载的DMA协处理器,可用于数据的DMA传输。多通道缓冲串口(McBSP)支持多种方式的传输接口,但利用DMA为其服务时,串口数据读写具有自动缓冲能力。在开发工具上,C6000独有的汇编使得开发者可以采用线性汇编语言得到近似标准汇编的性能, 降低了开发难度。其JTAG端口支持为进行系统软件调试提供了方便。TI公司提供集成开发环境 Code Compose Studio,为在有限的开发周期内完成复杂开发任务提供了一个强大的保障。 DSP处理器对采集后传输到缓冲区中的每帧数据进行处理。其中包括每通道的数据处理及帧数据处理,判别的结果及波形数据存储在和前端显示用单片机通讯的缓冲区中。利用软件中断进行和单片机的数据通讯。当判别有损伤时,通过外部扬声器进行报警,同时在通讯帧中进行标识。

　　3.3　前端显示MCU设计

　　各个通道的超声波信号经过DSP处理后,可以判断损伤的类型(上斜,下斜,横孔等),在发现损伤后,DSP通过I0进行报警,同时处理后的数据传入下位机系统。下位机采用PIC16F877单片机,通过 SPEI协议与DSP的McBSP (Multi - channel Buffered Serial Port)进行通讯。McBSP是TI公司 C6000系列的多通道缓冲串口,具有收发独立的帧信号和时钟信号,当利用DMA为McBSP服务时, 串口数据读写具有自动缓冲能力。其支持SPI协议, SPI的4个接口信号是:串行数据输入(D(R)/SDI, 主设备输入,从设备输出)、串行数据输出(D(S)/ SDO,主设备输出,从设备输入)移位时钟(SCK),从设备使能(SS)。

　　SPI接口的最大特点是由主设备信号的出现与否界定主从设备的通讯。一旦检测到主设备时钟信号,数据开始传输。数据信号无效后,传输结束。在这期间,要求从设备必须被使能(SS信号保持有效)。我们将McBSP作为主控端(Master),PIC16F877作为从属端(Slave),连结图如图5所示。今传输的内容根据我们自己定义的协议由单片机通过液晶显示和损伤部分信号存入NVRAM中。液晶控制模块选用SED1330,由单片机进行控制显示。在软件实现上,开辟了DSP与前端MCU的通讯缓冲区,DSP端设立了软件中断,调用McBSP进行数据传输,DSP端缓冲区中数据通过SPI传输到MCU缓冲区中。MCU端通过一个48 ms定周期中断进行数据显示,同时允许中断嵌套。MCU在定周期中将缓冲区中传输的结果通过自己定义的协议进行解释,并将要显示的结果放在逻辑缓冲区中,在经过转换成物理缓冲区,最后进行显示。

　　4　结论

　　利用更高性能的处理器作为仪器仪表的核心,同时在数据采集的基础上加上实时数据处理,增加智能模式识别功能,是新一代的数字化仪器发展方向。本文介绍的基于DSP的钢轨声波探伤仪系统是基于先进的信号处理器技术、数据采集技术和数据处理技术的有机结合。愿本文对大家在嵌入式系统研究方面有所启发。

　　参考文献

　　1　王敬东、王晓蕾、李永敏、徐贵华.新颖的便携式数字化超声波探伤仪.自动化仪器仪表测控技术,1999,(2)

　　2　TMS320C6201, TMS320C6201B DIGITALSIGNAL PROCESSORS Texas Instuments Incor-porated,1999

　　3　黄开长等译.PIC16F87S数据手册,2001(6)