基于S3C2440微处理器的工业超声探伤仪设计与实现

　　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。

　　本文利用ARM9芯片和高速FPGA数据采集及信号处理技术，在Linux操作系统平台上设计并实现了一种新型数字超声探伤仪。该探伤仪具有高性能、低成本、外围接口扩展丰富以及低功耗等特点。

　　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。系统硬件的总体框图如图2所示。

图2 系统硬件总体框图[page]

　　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 ；3路异步串行通信接口；内置看门狗定时电路及实时时钟；内部集成两路USB host和一路USBdevice；对嵌入式Linux良好的支持等。

　　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。 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。

　　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。[page]

　　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。

　　中断资源分配

　　S3C2440 可处理56路中断，其中24路为外部中断EINTn。板上扩展的外设接口中，网络接口芯片DM9000使用EINT0。FPGA扩展中断资源为 EINT1、EINT2、EINT3、EINT4、EINT5、EINT6及EINT7。键盘用EINT2，前端图像数据更新用EINT3，回波频率测试数据更新用EINT4，系统关机按键用EINT1。

　　系统软件设计

　　系统软件的总体框图如图3。

图3 系统软件总体框图

　　超声探伤系统同时要处理的任务比较多，而且实时性要求高，因此在探伤应用程序中使用多线程技术。本系统可以分为四个线程，在主线程中，用MiniGUI实现实时探伤、参数下载和报表打印三个模块的功能，另外创建三个辅助线程，分别为：

　　读数据线程，用于读取实时探伤数据；读键盘线程，读取键盘上被按下的按键键值，然后再通过SendMessage（hWnd，iMsg，wParam，lParam）发送一个按键消息，此消息将在MiniGUI的主窗口过程函数中进行处理；网络线程，向上位机传送探伤数据，并接收上位机的控制命令。

    测试及结论

　　经检测表明，本设计样机的功能和指标达到或超过国家行业标准JB／T 10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》的要求。其中，超声探伤仪最重要的指标一一探伤灵敏度佘量高达68dB（同家标准规定不低于46 dB），而薄板分辨力小于1mm（国家标准规定不高于3mm）。

　　试用证明，本嵌入式数字超声探伤仪设计项目具有性能优异、可靠性高、界面友好、操作方便、性价比高等诸多优点，在国内工业超声探伤仪领域处于领先水平。

参考文献:

[1]. S3C2440 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/S3C2440_589562.html.
[2]. ARM920T datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[3]. DM9000 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/DM9000_979498.html.