（通信与信息系统专业论文）一种新型便携式超声波探伤系统的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 超声波探伤作为一种重要的无损检测技术已经在国防工业、机械制造等领 域获得了广泛应用。现有的便携式超声波探伤系统通常采用单片机或 dsp 实现 方案，软件设计非常复杂，实现难度大，代码移植和重用比较困难，因此不便 于系统的升级和维护。近年来，嵌入式技术在许多领域的应用日益广泛，在超 声波无损检测领域有着广阔的应用前景。 本文提出了一种基于嵌入式技术的新型便携式超声波探伤系统方案。该方 案以便携式超声波探伤的设计需求为依据，采用 “arm+fpga”硬件架构和嵌 入式 linux 操作系统相结合的设计思想， 设计了一个满足性能要求的新型便携式 超声波探伤系统。为了解决超声波探伤中的高速数据处理问题，方案采用了 samsung 公司的嵌入式处理器 s3c2410x 和 xilinx 公司的 fpga xc3s250e 作为 系统的硬件平台，成功地将嵌入式 linux 操作系统移植到该平台上，并开发出相 应的设备驱动程序。同时本方案还引入高性能嵌入式 gui 系统开发工具包 qt/embedded，并在此基础上开发出了便携式超声波探伤系统的图形用户界面。 通过实际测试结果证明，本方案成功实现了便携式超声波探伤系统中的高 速数据采集、非均匀压缩和实时处理等关键功能，为今后便携式超声波探伤系 统的研制提供了一种切实可行的高性能解决方案，并对其它嵌入式应用系统而 言有很高的参考应用价值。 关键词：嵌入式 linux，qt/embedded，arm，fpga，嵌入式系统，超声波探 伤 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 ii abstract as an important technology of non-destructive testing, ultrasonic flaw detection has been used widely in some areas, such as defense industry, machine manufacture and so on. but, existing portable ultrasonic flaw detection systems are based on the monolithic integrated circuit or dsp. the software designs of these systems are very complex, schemes realization and transplants are also difficult. therefore, the promotion and maintenance of these systems are inconvenient. recently, applications of embedded system are widespread in many domains day by day. and the embedded system has widely application prospect in the area of ultrasonic non-destructive testing. according to demands of performance, author has designed a new portable ultrasonic flaw detection system by the scheme, which combines arm+fpga hardware framework with embeddable linux operation system. for solving the problem of the high-speed datas processing, the scheme using the samsungs embedded processor -s3c2410x and the xilinxs fpga xc3s250e as the new systems hardware platform. the author has transplanted embeddable linux to this platform, and developed related device drivers of hardware which bases on embeddable linux. and the scheme also implements the portable ultrasonic flaw detection systems graphical user interface using the software development kit for the high-performance embedded gui system qt/embedded. through the result of the actual test, it can be proved that this scheme implements the portable ultrasonic flaw detection systems key functions, such as high-speed data acquisition, non-equally data condensation and real-time processing and so on. this scheme provides a feasible and high-performance solution for the future research on the portable ultrasonic flaw detector, and it has high practical application value to other applications base on embedded system technology. key words: embeddable linux, qt/embedded，arm，fpga，embedded system， ultrasonic flaw detection 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 vi 图 表 清 单 图 1-1 嵌入式系统设计的 6 个阶段. 4 图 2-1 系统的总体设计框架.11 图 3-1 系统的硬件结构框图. 16 图 3-2 系统模拟部分设计框图. 17 图 3-3 fpga 系统的功能实现框图. 19 图 3-4 arm 系统的功能实现框图. 21 图 4-1 系统软件层总体设计框架. 23 图 4-2 便携式超声波探伤系统的硬件设备驱动程序框图. 26 图 4-3 linux 设备驱动程序的模块化编程思想和体系结构 . 27 图 4-4 系统中设备驱动程序的开发流程图. 28 图 4-5 系统中 flash 芯片的分区情况. 29 图 4-6 系统中应用软件层的总体设计框架. 30 图 4-7 qt/embedded 和 qt/x11 相结合的编程开发结构. 31 图 5-1 本系统开发中的交叉编译环境. 33 图 5-2 本系统中 linux 操作系统的移植工作 . 35 图 5-3 实时数据处理模块的相关软硬件结构. 37 图 5-4 实时波形显示模块的相关软硬件结构. 39 图 5-5 用户操作模块的相关软硬件结构. 41 图 5-6 中文国际化模块的处理过程. 43 图 6-1 系统开发的实际环境. 44 图 6-2 便携式超声波探伤仪系统的硬件板图. 45 图 6-3 系统启动和中文字体显示情况. 46 图 6-4 系统中参数预置模块的工作界面. 46 图 6-5 系统的实际工作情况. 47 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注 释 表 adc ：analog-to-digital converter，模数转换器。 api ：application programming interface，应用编程接口。 arm ：advanced risc machines，高级精简运算指令集机器。 bdf ：bitmap distribution format font file ，位图发布字体。 bootloader ：bootloader 是系统加电启运行的第一段软件代码。 busybox ：busybox 是很多标准 linux 系统工具的一个单个可执行实现。 cramfs ：cram a filesystem onto a small rom ,是一种只读的压缩文件系统。 dac ：digital analog converter，数字模拟转换器。 ddr ：全称 ddr sdram，双倍速率同步动态随机存储器。 dma ：direct memory access，直接存储器存取。 elc ：embedded linux consortium，嵌入式 linux 协会。 elcps ：elc platform specification，嵌入式 linux 平台规范标准。 fedora core ：一种基于 linux 内核的桌面操作系统。 fifo ：first in first out，先进先出; flash ：非易失存储器，又称闪速存储器。 fpga ：field programmable gate array，现场可编程门阵列。 fpu ：float point unit，浮点运算单元。 gnu ：代表 gnus not unix，它既是一个自由软件工程项目也是一种规范。 gpl ：gnu general public license，gnu 通用公共许可证。 gui ：graphical user interface，图形用户接口。 hal ：hardware abstraction layer，硬件抽象层 ic ：integrated circuit，集成电路。 i/o ：input/output, 输入/输出。 iis ：integrate interface of sound，集成音频接口。 jtag ：一种国际标准测试协议（ieee 1149.1 兼容） ，主要用于芯片内部测试。 lcd ：liquid crystal display，液晶显示器。 linux ： linux 是一种计算机操作系统及其内核的名称。 承诺书 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容 外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 随着国民经济的迅速发展，无损检测作为保证高质量的重要技术，在机械 制造、石油化工、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。而在当今的无损 检测中，超声波检测技术以检测灵敏度高、方向性好、适用性广泛等优点占有 极其重要的地位1 2。近年来，伴随着计算机软硬件技术和高速数字信号处理技 术的飞速发展，尤其是嵌入式系统技术的突破，使得与无损检测领域相关的仪 器设备在数据处理、检测性能和工程设计系统化等方面有了更大的发展空间。 1.1 超声波探伤技术简介 1.1.1 超声波的基本概念 超声波是一种频率超过 20khz 的特殊声波，除具有传统声波传输的基本物 理特性（如：反射、折射和衍射等）外，其还具有方向性集中、穿透力强、振 幅小等特点123。因而，超声波检测技术在实时控制、高精度、无损伤等方面 均具有优势，广泛应用在工业无损检测等领域。用于无损检测的超声波频率一 般在 0.510mhz 之间，如钢等金属材料的常用检测频率为 15mhz。 1.1.2 超声波探伤的基本原理 超声波探伤是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响来 检测材料的组织和内部缺陷的方法23。目前，广泛使用的探伤方法是脉冲反射 法，该探伤方法的基本原理是将超声波脉冲发射到被测样本中，然后接收来自 样本的发射波，根据发射波声压的不同以实现对被测材料中缺陷的定位和识别 3。在脉冲反射法中，还可细分更多的方法，其中根据声束的传播情况可分为直 探法和斜探法；根据探伤所用的波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波 探伤法和板波探伤法；根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等1。这些 方法具有各自的特点，分别用于不同材料的探伤。 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 2 1.2 便携式超声波探伤系统 由于超声波检测技术的自身优点及其在国民经济领域的重要作用，因此， 研制和开发高性能的超声波探伤系统成为了无损检测领域的一个重要课题，系 统的性能直接影响着检测过程的时效性和检测结果的准确性。 1.2.1 便携式超声波探伤系统的主要性能指标 3 便携式超声波探伤系统的技术性能包括仪器的电子设备性能和超声波探头 性能。针对这些性能，我国颁布了 a 型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件 （jb/t 10061-1999） 、超声探伤用探头性能测试方法（jb/t 10062-1999）和 a 型 脉冲反射式超声波探伤系统工作性能测试方法（jb/t 10061-1999）等标准，这 些标准都对超声波探伤系统的各项技术指标测试方法作了明确规定，主要技术 指标如下所示： 工作频率：即超声波探头的频率，它在很大程度上决定了超声波探伤系统 的能力。在一般接触法探伤中，对晶体颗粒细小的材料采用 2.55mhz，对晶体 颗粒大的材料采用 0.51mhz。 重复频率：即超声波脉冲的发射频率。由于发射脉冲的周期必需大于超声 波传播的时间，所以重复频率与检测距离成反比，一般在 503khz 之间。 频带范围：即缺陷回波接收电路的通带范围。通常，频带范围越宽，对缺 陷回波的失真度就越小。该项参数取决于整个模拟电路的频率特性，如放大衰 减器、集成运放、a/d 转换等电路。 增益/衰减和动态范围：由于回波信号的强度变化很大，通常需要 80100db 的系统增益和衰减。动态范围指的是放大器最大不失真幅度范围，通常要大于 40db。 采样频率和分辨率：该项性能取决于 a/d 转换器的性能，这对于数字式超 声波探伤系统是一项非常关键的指标。 a/d 转换器的采样频率越高， 缺陷回波的 失真就越小，回波的峰值不易被漏检；而采样分辨率越高，则缺陷峰值采样越 精确，缺陷当量的估计就越准确。 实时报警：即系统对于缺陷报警的响应时间。一个完整的报警过程包括对 缺陷的判定，缺陷的峰值和当量的计算以及对缺陷的显示。其中对于缺陷的判 定尤为重要，不同的场合和要求有不同的判定算法，报警响应的处理时间差异 南京航空航天大学硕士学位论文 3 很大。 1.2.2 便携式超声波探伤系统的现状和发展 计算机技术和电子技术的飞速发展直接推动着便携式超声波探伤系统的研 制，当前，便携式超声波探伤系统的研制已经进入到数字化阶段：即将超声波 探头的回波信号经过接收部分放大后，由 a/d 转换器转变为数字信号传给微处 理器，微处理器再将随时间和位置变化的波形信号进行适当处理，得出进一步 的超声波检测结论4。但是，由于被检材料的千差万别，用户所使用的测量标准 也是各有不同的，因此相应的超声波探伤系统也是种类多样。按超声波的连续 性分有脉冲波探伤仪、 连续波探伤仪和调频波探伤仪； 按缺陷的显示方式分有 a 型显示探伤仪、b 型显示探伤仪和 c 型显示探伤仪；按探伤工作通道分有单通 道探伤仪和多通道探伤仪1。 这些便携式数字超声波探伤系统都具有数据存储和 处理等功能，可以实现探伤过程中对缺陷的自动判别、定位、当量计算、存储 等。比较过去的模拟超声波探伤系统，数字式超声波探伤系统不但解决了缺陷 的记录问题，而且还减少了人为误差，提高了检测结果的可靠性3。 随着计算机和电子技术的进一步发展，当前国际上便携式超声波探伤系统 正朝着以下几个方面发展531： （1） 系统化和模块化 计算机技术的发展提供着越来越丰富的软硬件平台，使得超声波探伤仪系 统正朝着系统化和模块化的方向发展，为系统整体结构的设计和研制带来了重 大的变革。 （2）智能化检测系统 用户对便携式超声波探伤系统的一个重要要求就是提高检测的自动化程度 和缩短检测时间，因此，具有对被检测对象的缺陷进行自动识别和评估的功能 是当前超声波探伤系统朝着智能化方面发展的目标。 （3）高度的互动性 为了提供给人们更为友好的操作界面和清晰生动的超声波检测结果，便携 式超声波探伤系统需要性能强劲的图像处理模块，设计出更为出色的人机交互 界面。 （4）小型化 体积小、重量轻一直是便携式超声波探伤仪器应具备的重要特点，电子技 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 4 术的发展为研制出更为轻便的便携式超声波探伤系统提供了坚实的技术基础。 以上几个方面，代表着便携式超声波探伤系统的主要发展方向，国外相关 领域的顶尖公司已走在了最前面，如德国的 kk 公司和法国的 sofratest 公司等。 1.3 嵌入式系统技术 近年来，随着嵌入式系统技术的发展，基于该技术的便携式数字超声波探 伤开始广泛应用到无损探伤领域中。在此简要介绍下嵌入式系统技术。 1.3.1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是指一种以实际应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可 剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统6 7。主 要具备以下几个特点： （1）嵌入式系统是集软硬件于一体的高可靠性系统。 （2）嵌入式系统是资源开销小的高性价比系统。 （3）嵌入式系统是功能专业、使用灵活方便的系统。 1.3.2 嵌入式系统的基本设计流程 嵌入式系统设计 第 一 阶 段 : 产 品 定 义 第 二 阶 段 : 硬 件 与 软 件 划 分 第三阶段 详细 硬件设计 与 软件设计 第 四 阶 段 : 软 硬 件 集 成 第 五 阶 段 : 连 接 测 试 第 六 阶 段 : 维 护 与 升 级 产品发布 图 1-1 嵌入式系统设计的 6 个阶段 如图 2-1 所示，按照嵌入式系统的最新工程设计方法，嵌入式系统的设计可 分为 6 个阶段：产品定义、硬件与软件划分、详细的硬件和软件设计、硬件和 软件集成、接受测试和维护与升级7。头两个阶段是确定要解决的问题及需要完 南京航空航天大学硕士学位论文 5 成的目标，也称之为需求阶段；第三个阶段主要解决如何在给定的约束条件下 完成用户的要求；后三个阶段主要是解决如何在所选的硬件和软件基础上进行 整个软硬件系统的协调实现632。 1.3.3 嵌入式系统的发展 随着电子信息技术的发展，嵌入式系统早已广泛渗入到人们的工作和生活 中，从家用电器、手持通讯、信息终端到仪器仪表、航天航空、军事装备、制 造工业等领域，无所不在。纵观嵌入式系统的整个发展过程，大致分为以下四 个阶段6 7 8。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，完成诸如监测、伺服、 控制等部分基本功能。目前，这种结构的嵌入式系统已经不能适应多功能、高 存储量的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求9。 第二阶段是以嵌入式cpu为基础、 以简单操作系统为核心的嵌入式系统8 9 10。其主要特点是：cpu 种类繁多，通用性弱；系统开销小，效率高；操作系 统达到了一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，但用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：这一阶 段的嵌入式操作系统能运行于不同类型的微处理器上，硬件兼容性好；操作系 统内核小、执行效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件目录管理、 多任务调度、网络支持等功能810。 第四阶段是以 internet 为标志的嵌入式系统。目前大多数嵌入式系统还孤立 于 internet 之外，但随着信息家电、通信技术和工业控制的发展，与 internet 技 术的结合将代表嵌入式系统的未来8910。 1.4 本课题研究的意义和内容 1.4.1 本课题研究的意义 随着国民经济的迅速发展，超声波探伤技术在精密机械、工业检测、国防 工业等领域的地位也越来越重要，国内便携式数字超声波探伤系统的设计性能 正不断加强。但是，相对于国外先进技术水平而言，国内的便携式超声波探伤 系统还存在着以下两个主要方面的差距33： （1） 系统的采样频率和分辨率不高 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 6 采样频率和分辨率对于数字式超声波探伤系统的性能起着关键性的作用。 根据奈奎斯特定理，采样速率须高于信号频率 2 倍以上，而考虑到超声波的实 际特性，实际采样频率一般为信号频率的 510 倍。因此对于工作频率在 2.510mhz 的探头，为保证缺陷回波的峰值不被漏采4则要求采样频率达到 6080mhz。目前，在自动化探伤领域，国外超声波探伤系统的采样频率和分辨 率已经工作在高达 100mhz 10bit 的指标上，而国内的系统由于技术问题，大多 采用模拟检波方式以降低带宽，主要工作在 20mhz40mhz 8bit 的指标上。 （2） 系统的整体软件设计还不够灵活 长期以来，国内的系统软件发展水平一直远远落后于国外，便携式超声波 探伤系统大多仍采用非操作系统的设计方案。由于这些设计方案上的局限性， 整个系统的软件存在着可重用程度低、代码移植困难以及维护升级不便等不利 因素。而且，由于便携式超声波探伤系统在朝着高度智能化的目标方向发展， 其所需要的软件功能也越来越丰富，迫切需要引入多任务实时操作系统以简化 系统设计。 但是，随着电子信息领域新技术的不断涌现，为研制新型便携式超声波探 伤系统、缩短与国际先进水平的差距带来了机遇。 首先，超高速 a/d 芯片在国内的出现，使得超声波直接射频采样成为可能。 对于数字式超声波探伤系统的性能起着关键性作用的采样频率和分辨率指标得 以大幅度提升，不再需要采用模拟检波方式以降低带宽。但是，直接射频采样 技术的引入也对系统的后续数据的处理性能提出了更高的要求。 其次，高速微处理器和电子技术的飞速发展，坚实的硬件基础使得便携式 超声波探伤系统的数据处理性能大为增强3。例如，最先进的大规模可编程逻辑 电路已经超过 2000 万门级，并集成了高达 10 mb 的嵌入式 ram，这为系统实 现对 a/d 采样后的高速回波数据进行实时处理提供了保障；同样，高速嵌入式 处理器已能提供高达 8000mips（定点）和 1350mflops（浮点）处理性能，这 也使得系统的数据实时处理性能得到进一步的提高。 最后，嵌入式操作系统的发展使得嵌入式系统软件的设计思想和方案结构 获得了里程碑式的突破。例如，在功能配置方面，新型嵌入式操作系统结构更 为灵活性，资源消耗得到了有效控制；而在实时性方面，嵌入式操作系统的硬 实时和软实时性能都得到很大程度的提高。这些性能上的突破，使得在便携式 超声波探伤系统的设计中引入嵌入式操作系统提供了可能。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 1.4.2 本课题研究的内容和安排 在综合了现有便携式超声波探伤系统的特点、超声波探伤领域的需求和电 子信息技术的新变革等因素之后， 本文提出一种基于嵌入式 linux 系统的新型便 携式超声波探伤系统。具体的研究内容包括： （1）硬件层设计 利用最新的嵌入式硬件技术，构建符合便携式超声波探伤实际应用的高性 能硬件平台。 （2）系统软件层设计 主要任务之一是选取合适的嵌入式操作系统和文件系统，并向系统的硬件 平台进行移植；主要任务之二是开发相关的设备驱动程序，为应用软件层提供 稳定、高效的系统硬件抽象。 （3）应用软件层设计 在满足超声波各项性能指标的前提下， 利用第三方提供的 gui 工具开发包， 设计出便携式超声波探伤系统的图形用户界面和功能应用，为使用者提供一个 良好的互动界面。 根据以上研究工作的情况，本文的结构安排如下： 第二章首先阐述了本方案的总体设计思想，给出了系统的设计方案和设计 指标。 第三章以本系统的硬件设计和实现为主，介绍了本系统硬件平台的各个模 块的具体实现情况； 第四章则重点介绍了方案中系统软件层的具体实现，主要包括嵌入式 linux 操作系统和相关文件系统的移植，以及 linux 系统设备驱动程序的设计开发； 第五章以方案的应用软件层实现为主要内容，包括第三方嵌入式 gui 工具 开发包的移植、嵌入式 gui 用户界面和有关超声波探伤的应用开发。 第六章则介绍了对新型便携式超声波探伤系统的测试方法、测试情况和测 试结果。 在最后一章中，本文对本方案的特点进行了总结，并结合便携式超声波探 伤仪的未来发展趋势，对今后相关领域的研究工作进行了展望。 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 8 第二章 第二章 便携式超声波探伤系统的总体方案设计总体方案设计 本课题将最新嵌入式系统技术应用到便携式超声波探伤系统的设计中，融 合了电子技术、信息技术和软件技术等，因此其构成是比较复杂的。本章主要 介绍便携式超声波探伤系统的总体方案设计，具体包括了系统的基本工作原理、 功能和性能指标需求、总体设计思想设计框架以及系统关键部分的解决方案。 2.1 系统的基本工作原理 便携式超声波探伤系统采用了脉冲反射法的基本原理，工作流程如下：首 先，系统通过发送接收探头发送脉冲超声波至被测材料中，接着来自被测材料 的反射回波信号被探头接收；此后，回波信号将经过一系列模拟信号处理模块 进行波形调理；然后，调理后的回波模拟信号由 a/d 转换器转换为高速数字信 号流送至数字压缩处理模块，高速数据流经过此模块处理后转换为低速回波信 号数据流并存放在高速存储器中；最后，负责后续波形数据处理的嵌入式处理 器将此回波信号的数据流读取，并应用软件将此次回波信号数据显示在目标显 示屏上，同时根据回波信号情况进行相关处理工作。 2.2 系统的性能指标和功能需求 根据嵌入式系统设计的基本流程，本系统在产品的定义阶段，针对目前国 内外处于领先地位的几种便携式超声波探伤系统的发展情况进行了充分的调 研，在综合了实际应用领域（主要是钢材探伤）的需求情况后，确定了本便携 式超声波探伤系统探头的工作频率在 0.510mhz 的范围内，因此系统需要以 80mhz 的速率对回波信号进行采样，采样时间间隔为 20ms。通过对采样后的回 波数据进行计算和分析得到缺陷的形状和位置，并在屏幕上实时显示探伤波形 以及参数分析。同时，针对探伤过程中发现的损伤，系统还需具备实时报警功 能。此外，作为一款智能性的便携式超声波探伤仪器，其还需具备其他辅助功 能，如：参数设置、增益控制、时间日期显示和波形文件存储等。 南京航空航天大学硕士学位论文 9 综合上述分析，最终本方案制定了如下几项预定指标： （1）整套系统在可维护和可升级等方面具备充足的扩展空间； （2）在 20ms 的重复频率下，超声波探头以窄带和宽带两种工作模式工作： 宽带工作频带为 0.510mhz；窄带工作时的中心频率为 0.5、2.5、5、10mhz； （3）采用全波，+/-半波，射频三种方式对回波信号进行检波； （4）对超声波探头的回波数据以 80mhz 的速率和 10bit 的分辨率进行高 速 a/d 采集； （5）系统增益设计在 0100db 范围内，最小步进为 0.1db； （6）在 640*480 分辨率 65536 色的 lcd 屏幕上以高性能互动型的图形显 示界面显示回波波形以及相关分析参数； （7）各种智能性探伤系统具备的高级功能，如：参数预置、波形存储、u 盘复制和时间日期等； （8）体积小，功耗低，便于携带； 从上述方案的预定指标中可以看出，本系统是一个集高速采集、实时分析 计算、高性能显示以及功能丰富的智能化便携式超声波探伤系统，各项指标已 达到国内同行领先水平。 2.3 系统的总体设计思想和设计框架 2.3.1 系统的总体设计思想 针对上述便携式超声波探伤系统的性能指标和功能要求进行分析后归纳出 了系统的总体设计思想： 首先，本方案由于需要经常进行户外测试，是一套便携式系统，因此，对 系统的体积、功耗方面有着严格要求，采用高性能的嵌入式系统设计将是实现 上述指标要求的最佳解决方案。 其次，为了便于今后系统的二次开发，方案对于可升级和可维护性方面提 出了较高要求，并作为了系统的首要指标。因此采用模块化、层次化的设计思 想是本系统的主导思想，从目前的嵌入式技术发展来看，采用带嵌入式操作系 统的设计方案将有效解决系统在升级和维护时可能遇到的问题。嵌入式操作系 统及其设备驱动程序则为本系统的其他软件部分屏蔽了底层硬件平台的差异， 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 10 合理地将硬件平台设计和应用软件设计分离开来，同时嵌入式操作系统还能为 本方案提供系统级的软件资源管理功能，方便了软件系统的设计8 18。 接着，由于超声波探头以 20ms 的重复频率发送脉冲波，这对于采用了 80mhz 10bit 高速 a/d 的系统而言，意味着在短短 20ms 内要处理高达 160mbit 的数据量；同时，整套系统还需对 lcd、usb 等外围硬件设备以及嵌入式操作 系统等软件有着完善的支持。就目前嵌入式处理器的发展情况而言，任何单一 的嵌入式处理器都无法妥善处理这些性能需求。因此，方案在综合了 fpga 在 实时专用数据处理上的优势以及 arm 嵌入式处理器在外围设备和软件支持上 的特色后，决定采用 fpgaarm 的联合设计方案，一方面既满足了超声波探 伤系统对于高速数据流的实时处理要求，又解决了系统外围设备控制和嵌入式 操作系统支持的需求。 再者，系统还需具备完善的图形显示界面和智能型探伤系统的其他高级功 能。对于这些需求，借助嵌入式操作系统和硬件驱动程序的支持，系统还需要 编写高性能的应用程序以完成波形实时显示、波形数据后续处理、用户操作控 制、文件存储等任务。 2.3.2 系统的总体设计框架 综合系统的总体设计思想，本方案的最大特点就是采用了 fpgaarm 的 联合处理结构，并且通过嵌入式操作系统的引入将系统整体的软硬件设计进行 了明确的划分。根据这种设计结构，本方案的便携式超声波探伤系统总体设计 框架从下至上分为了以下三个部分：底层硬件平台、系统软件层和应用软件层， 如图 2-1 所示。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 超声波 探头 模拟信号 处理模块 数字预处理和逻辑控制模块（fpga） 嵌入式操作系统硬件平台（arm） 嵌入式操作系统内核 系统外围设备的驱动程序 内核系统调用 a/d 转换器 便携式超声波探伤系统的应用软件层 超声波探伤的图形用户界面 实时波形处理非实时数据处理 便携式超声波探伤系统底层硬件平台 被测材料 便携式超声波探伤系统的系统软件层 图 2-1 系统的总体设计框架 2.4 系统关键部分的解决方案 2.4.1 高速数据采集解决方案 高速数据采集的全过程主要包括：数据采样和高速数据流处理两大部分。 其中 a/d 采样速度和采样精度对于便携式数字超声波探伤系统的性能影响至关 重要。对于 10mhz 工作频率的超声波探头而言，要保证缺陷的峰值不漏检，至 少需要 6080mhz 的采样速度。而传统的数字化探伤系统，由于 a/d 采样速度 只有 2040mhz，通常在采样前增加几级模拟包络滤波器以实现全波、/半 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 12 波检波。这种包络检波方式滤除了部分缺陷回波，因此给缺陷识别和定量计算 带来了很大的困难。因此，在本系统的设计方案中，采用了采样速率为 80mhz 10bit 的高速 a/d 芯片，去除了模拟包络检波电路，从而保证了探伤过程中缺陷 回波的采样质量。就检波技术而言，本系统可以实现全波、/半波和射频三 种检波方式。 由于在本便携式超声波探伤系统的高速数据解决方案中，采用了高速高分 辨率的 a/d 变换器，经过模数转换后的数据流高达 160mbit/s（由于处理器的设 计因素，a/d 变换后的 10bit 数据实际是按 16bit 进行的） ，因此如何处理 a/d 采 样后的高速数据流成为了硬件系统部分设计的关键之一。 在本方案中， 对于 a/d 采样后高速数据流的处理采用了非均匀实时压缩技术。这种技术的核心思想是 利用大规模可编程逻辑器件所提供的高速数据处理能力，根据压缩算法，采用 硬件压缩的方法，按所需的非均匀压缩比对高速 a/d 芯片采样后得到的数据进 行实时压缩，从而大幅度降低了后续波形的实际处理量。采用该项技术后，本 系统成功将 a/d 变换后的高速数据流从 160mbit/s 降低到了 500kbit/s，这样一 来，现有的嵌入式处理器完全可以胜任对后续波形的再处理工作。 2.4.2 数据后续处理和系统控制的解决方案 探伤回波波形数据在经过高速数据压缩处理后将转化为适合嵌入式处理器 处理的低速数据流，接下来便携式超声波探伤系统将对这部分数据流进行进一 步的操作，如：闸门的软实时报警、试块材质的参数分析、探伤数据的存储等。 除此之外，便携式超声波探伤系统还需要实现缺陷波形的实时显示、人机交互 操作和外围设备的管理等功能。由此可见，便携式超声波探伤系统需要一个性 能出色的数据处理以及系统控制平台。系统中关于这部分的设计主要包括了软 硬件两个方面。 2.4.2.1 硬件部分的设计 根据便携式超声波探伤系统中有关数据后续处理和系统控制的功能需要， 作为这部分的硬件平台需要具备以下几个条件： （1） 为符合系统总体设计思想的安排，首先此硬件平台必须能够支持嵌 入式操作系统； （2） 具备高性能的处理能力，能够完成对便携式超声波探伤系统波形数 南京航空航天大学硕士学位论文 13 据的实时处理工作； （3） 具备丰富的片内外围设备接口支持，如 lcd 控制器、usb 接口控制 器等，以简化系统的片外电路设计； （4） 具有较强的内存管理技术，如 mmu、流水线等，为高性能嵌入式操 作系统的运行提供支持； 这些条件决定着本方案中对于嵌入式处理器的选型，是关系到系统性能指 标和功能需求是否能得到满足的基本因素。 目前，优秀的嵌入式处理器体系结构种类众多，诸如：arm，mips，x86 等。然而对于本系统来说，arm 体系以其先进的内核结构、高效的指令集、低 功耗的设计、选择丰富的外围设备支持以及嵌入式操作系统的完善支持等优势 成为了本方案对于嵌入式处理器体系结构方面的首选。 2.4.2.2 软件部分的设计 根据方案对可维护、可升级方面的要求，同时为了简化整个系统复杂的软 件设计，本系统在总体设计时就决定引入嵌入式操作系统。目前，专门用于处 理多任务调度、内存管理、i/o 设备管理等系统功能的嵌入式操作系统已经开始 进入到高性能嵌入式系统的设计方案中。据调查，目前国际上已经有两百多种 嵌入式操作系统，其中主流的嵌入式操作系统有 vxworks、uc-os、neculeus、 qnx、linux 和 win ce 等12 16 17。 在这些优秀的嵌入式操作系统中，linux 发展最快、应用范围最为广泛。它 是一种多用户多任务的操作系统，支持分时处理和软实时处理，并带有微内核 特征 （如模块加载/卸载机制） ， 具有很好的定制特性18。 因此相比其他操作系统， 其具有低成本高稳定型、可移植性强以及精简高效等优点。此外，众多嵌入式 gui 系统开发工具的支持大大降低了在 linux 上开发高性能的 gui 系统的设计 难度，显著提高了设计开发效率和系统的稳定性。 嵌入式 linux 操作系统的众多优点，非常符合本方案的设计需求，因此其作 为了本系统的主要设计思想之一。同时，嵌入式操作系统的引入，使得整个便 携式超声波探伤系统的软件设计结构发生了重要的变化，明确分成了与系统底 层硬件紧密相关的驱动程序设计和不与硬件发生直接联系的上层应用软件设计 两大部分：驱动程序主要负责对便携式超声波探伤系统中的各种设备器件进行 配置、完成用户下发的操作指令以及为上层应用程序输送波形数据；而应用软 一种新型便携式超声波探伤系统的研制 14 件部分则主要是根据传入的波形数据进行分析处理，并为用户提供良好的图形 显示界面。此外，本系统中若要使用嵌入式 linux 操作系统还需要针对便携式超 声波探伤系统的硬件设计对其进行适当的修改和移植。其中设备驱动程序设计 和操作系统的移植工作不仅需要对嵌入式系统的开发模式和环境有较熟练的掌 握，还需要对操作系统、驱动开发和嵌入式处理器结构有深入的认识和研究， 这也是本方案中软件部分设计的难点和关键。 2.4.3 嵌入式 gui 系统解决方案 便携式超声波探伤系统是一个人机交互的智能性系统，性能出色的 gui 系 统对于实现良好的人机交互十分重要，同时在本系统中嵌入式 gui 系统不仅仅 涉及到了人机交互功能，而且还需要在显示界面后台运行便携式超声波探伤系 统中关于波形分析的各种处理工作，因此本系统中的 gui 系统设计工作是相当 复杂的。在本方案的设计中采用了嵌入式 linux 操作系统，除了改善了系统的可 维护可升级方面外，它的采用还带来了一系列功能出色的嵌入式 gui 开发工具 软件。这些专用开发工具软件的引入显著改善了本系统中进行嵌入式 gui 开发 时遇到的复杂度问题，既考虑了复杂的图形接口和控件设计，又兼顾了超声波 探伤应用处理工作19 20。 目前嵌入式 gui 设计开发软件发展迅速，其中 microwindows、minigui 和 qt/emebdded 这三类嵌入式 gui 开发工具库因其优秀的系统空间和时间设计效 率脱颖而出6。其中，qt/embedded 无论从性能上还是从功能上都比其他三个系 统优越。首先，它是一款专门针对嵌入式图形用户界面设计的开发工具包，主 要特点是跨平台、模块化和可裁剪19 20。同时，qt/embedded 使用 c+编写， 采用了 oop 技术（面向对象的编程技术） ，拥有良好地体系架构和编程模式6， 这点非常适用于复杂软件设计的应用。特别值得提出的是 qt/embedded 的工具 开发库是跨平台的，支持 win ce 和 linux 等多种平台。移植基于 qt/embedded 程序到不同的应用平台时，只需要重新编译代码，而不需要对代码进行修改， 这种特性再次为系统的维护和升级提供了便利20 21。因此，在考虑了便携式超 声波探伤系统的性能要求和可升级可维护性两大因素后，本系统决定