嵌入式的新型工业数字超声探伤仪的设计

    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。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 CPU S3C2440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：

    ·数字检波，包括正向、负向、双向及RF检波

    ·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

    ·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

    ·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、电路板克隆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。pcb抄板当外设芯片与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。

    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。