（计算机应用技术专业论文）基于fpga的电磁无损检测系统的设计与实现.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 基于f p g a 的电磁无损检测系统的设计与实现 摘要 近年来，在钢铁材质质量检测的研究领域，电磁无损检测方法以其非破 坏性和简便快速的优点取得了大量成果，然而对于钢材及其制品的混料、硬 度和裂纹质量检测还存在许多难题如用传统检测平台检测钢铁件硬度的检 测精度和速度都不够理想。 基于上述情况，论文将先进的s o p c 技术应用到钢铁件的电磁无损检测 中。s o p c 技术将处理器、存储器、i o 接口、各种外围设备等系统设计需 要的部件集成到一个可编程逻辑器件上，构建成一个可编程的片上系统。 论文详细论述了基于f p g a 的电磁无损检测试验装置的理论基础，并 在此基础上给出了总体设计方案。全文着重叙述了系统的模拟部分，系统配 置以及软件部分的整个设计过程。利用q u a r t u si i 自定义外设和a v a l o n 总线 多主并行处理的特点，采用v e r i l o gh d l 语言实现激励信号发生器和高速数 据采集器，使得信号激励和信号采集在同一片芯片中实现，从而提高了信号 及信号处理的精确度。由于电磁检测对多种参数的敏感反应，必须抑制由此 引入的多种因素的干扰，利用f i r 数字滤波和相关方法从众多的干扰信号 中提取出有效信号的幅度和相位，同时利用n i o si ic 2 h 功能对滤波模块进 行硬件加速处理，大大提高了信号处理的速度。利用最d - 乘法建立回归方 程模型进行无损检测。最后运用此电磁无损检测系统对轴承钢的硬度进行了 定性测试，取得了较好的检测结果。 试验结果表明，将s o p c 技术应用到电磁无损检测系统中，系统的检测 速度和检测精度都有所提高，并使得整个系统在规模、可靠性、性能指标、 开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现了优化。 关键词无损检测；相关方法；可编程片上系统；现场可编程门阵列 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 iiii i = 目目皇g ! e ! = = = = 2 = 自= 自| 目= 自= = = ! = = = = = = 自= = ! = = = e 自= s = ! ! = ! ! = = = = = 自= g 目自，自自2 = = ! e 目2 1 1 = = d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mb a s e do nf p g a a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go nt h eq u a l i t yo f s t e e lm a t e r i a lh a sb e e ns t u d i e da n da c q u i r e dag r e a td e a lo fa c h i e v e m e n t sf o ri t s m e r i t so fn o n d e s t r u c t i v e ，c o n v e n i e n ta n df a s t h o w e v e rt h e r ea r em a n yp r o b l e m s i nt h et e s t i n go fh a r d n e s sa n dc r a c k s ，a n dm e 3 sp r o b l e mo fw o r kp i e c e s f o r e x a m p l e ，t h ee f f e c to ft r a d i t i o n a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n gf o rt h eh a r d n e s so fs t e e l p i e c e si sn o tv e r yi d e a l t os e t t l et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ra t t e m p t st oa p p l ya d v a n c e ds o p c s o l u t i o nt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e m t h es o p cs o l u t i o n i n t e g r a t e sa l lc o m p o n e n t st h es y s t e mn e e d si n t oap i e c eo fp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c et oc o n s t r u c tas y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e tn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g d e v i c eb a s e do nf p g ai nd e t a i l ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g nh a sb e e ng i v e n 砸s p a p e ri n t r o d u c e st h ew h o l ed e s i g np r o c e d u r eo fa n a l o g u es y s t e m ，s y s t e m c o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r es y s t e m t h ep a p e ra d o p t sv e r i l o gh d l t oa c h i e v e e x c i t a t i o ns i g n a lg e n e r a t o ra n dh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nb ym e a n so ft h e f e a t u r e so fc u s t o mp e r i p h e r a lo fq u a r t u si ia n da r b i t r a t i o nm e e h a n i s mo fa v f l o n b u s t h ef u n c t i o no fe x c i t a t i o ns i g n a lg e n e r a t o ra n dh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n a r ei m p l e m e n t e di nt h es a m ec h i p ，w h i c hi m p r o v e st h ea c c u r a c yo fs i g n a la n d s i g n a lp r o c e s s i n g d u et os e n s i t i v er e a c t i o n st om u l t i p l ep a r a m e t e r s ，t h et e s t i n g i n s t r u m e n tm u s tb ea b l et or e s t r a i ni n f l u e n c eo fm u l t i p l ed i s t u r b a n c e s t h ed e s i g n a d o p t sf i rd i 酉t a lf i l t e ra n dc o r r e l a t i o nm e t h o dt oe x t r a c ta m p l i t u d ea n dp h a s e o ft h es i g n a lf r o mm u l t i p l ed i s t u r b a n c e s a n dt h e nu s e sn i o si ic 2 ht o a c c e l a e r a t et h ef i l t e r , w h i c hi m p r o v e st h es p e e do fs i g n a lp r o c e s s i n g l a s t ，t h e p a p e ru s e st h el e a s t s q u a r e sm e t h o dt oa c c e s st ot h er e g r e s s i o ne q u a t i o n t h e n r e s u l to fq u a l i t yi n s p e c t i o nf o rh a r d n e s so f b e a r i n gs t e e l ，u s i n gt h es y s t 锄，w 鹤 s a t i s f a c t o r y 1 1 l er e s u l ti n d i c a t e dt h a ta p p l y i n gs o p ct e c h n o l o g yt o e l e c t r o m a g n e t l c n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mc a l li m p r o v et h es p e e da n da c c u r a c y o ft e s t i n g a n dm es c a l e ，r e l i a b i l i t y , i n d e x o fp e r f o r m a n c e ，d e v e l o p m e n tc o s t ，p r o d u c t m a i n t c n a i l c e 吼dh a r d w a r eu p g r a d eo f t h ed e s i g nh a sa c h i e v e do p t i m i z a t i o n k e y w o r d s n o n d e s ：t r u c t i v et e s t i n g ，c o r r e l a t i o nm e t h o d ，s o p c ，f p g a m 一 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f p g a 的电磁无损检测 系统的设计与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 冲 同期：沙，年岁月一i ：t 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于f p g a 的电磁无损检测系统的设计与实现系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，。在年解密后适用授权书。 ? 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 丑 俩之献 同期：川年；月，f 1 同期：m 方年3 月，勺同 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 随着我国工业经济的不断进步与发展，钢铁零部件的生产正逐步走向自 动化，产量不断提高。电磁无损检测方法，尤其是用初始磁导率法检测钢铁 材质，以其非破坏性、简便快速及可实现1 0 0 检测等优点，在工业上得到 广泛的应用，并产生了巨大的经济效益然而，有关资料表明：在实际的 检测过程中，无论是国产厦门爱德森公司最新研制的新型e e c 4 1 + 检测系 统，还是国外的同类仪器产品，如美国捷特公司等生产的涡流检测设备，其 误选率仍然较高心1 多年来万国庆、樊景云教授一直致力于电磁无损检测仪的研究，所发明 的w g f 、w g q 等系列仪器在钢铁件硬度、热处理状态、缺陷及材质混料 的快速无损检测方面取得了很好的效果旧一1 。但随着工业技术的不断发展， 对在线检测、实时处理、检测精度和速度的要求越来越高，并且由于影响电 磁无损检测的因素很多，尽管在以往的仪器中采用了相位分析、频率分析及 幅值鉴别等信号处理方法，但最终检测结果尚有不尽人意之处，尤其是对钢 铁件的某些内部细微缺陷还难以准确的判定哺1 w g f 等系列电磁无损检测 仪是以较早的5 l 系列单片机为核心控制，而此类单片机的自身结构特点决 定了其不能进行快速的数字信号处理，从而在一定程度上限制了电磁无损检 测仪的精度和速度。因此，为了适应现代工业的发展，我们很有必要将一些 新的技术应用到无损检测仪器中来，进一步地研制高效率、高精度及低成本 的电磁无损检测系统。 随着大规模集成电路技术的飞速发展，嵌入式计算机系统开始了从 m c u 逐步过渡到s o c ( 片上系统：s y s t e mo i lc h i p ) 的新阶段1 ，现场可编程 门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 性能有了大幅度的提高， f p g a 的设计水平也达到了一个新的高度。基于f p g a 的系统设计为现代电 子产品设计带来了更大的灵活性，以a l t e r a 公司开发的n i o si i 软核处理器 为核心的系统便是把嵌入式系统应用在f p g a 上的典型例子。基于f p g a 的n i o si i 系统以其设计灵活、软硬件编程、丰富的i p 核( 知识产权核： i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 库支持等特点深受设计者青睐。本课题属于横向课 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 题，与江苏黄桥东进电磁检测仪器厂合作，尝试将s o p c ( 片上可编程系 统：s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 解决方案应用到电磁无损检测系统中去， 以f p g a 为平台，利用s o p c 解决方案优点和a l t e r a 公司的a v a l o n 总线多 主并行处理及自定义组件等特点来解决钢铁材质分选中的速度和精度等问 题。本研究课题的启动，将为电磁无损检测技术的发展提供全新的思路。 1 2 电磁无损检测技术的研究现状 无损检测技术已历经了个世纪，其重要性在全世界已经得到了公认。 美国前总统里根曾说，没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多 领域的领先地位。的确，我们很难找到其它任何一个应用学科分支，其涵盖 的技术知识、覆盖的基本研究领域、所涉及的应用领域能与无损检测相比。 统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是机械产品为5 ，国 防、宇航、原子能产品为1 2 - - 1 8 ，火箭为2 0 人们可能会对这些数字的 准确和精确程度提出疑问，但对无损检测技术的重要作用却是不会有任何疑 问的 1 无损检测就是要在不损伤被检测对象使用性能的前提下，探测其内部或 表面的各种宏观缺陷，判断缺陷的位置、大小、形状和性质，还应能对被评 价对象的固有属性、功能、状态和发展趋势等进行分析、预测，并做出综合 评价协1 电磁法与其它的无损检测方法相比具有独特的优点：与超声法和射 线法相比，它不需要耦合剂，可以进行非接触性测量；与磁粉法相比，它对 磁性和非磁性材料均有效，而且不污染环境，操作简单，省工省力；与渗透 法相比，它不需要清洗试件，可以实现检测的自动化阳1 。电磁无损检测是检 测技术中具有重要意义的一种方法。 早在1 8 7 9 年休斯就利用感生电流的方法对不同金属和合金进行了判断 试验。但在休斯以后一段相当长的时间内，电磁检测技术的应用和发展一直 很慢n 0 1 直到第二次世界大战期间，在少数国家的研究单位和大企业才开始 应用少量实用化的电磁检测设备。其主要原因是各种试验参数对电磁检测的 影响在理论上的研究还很不充分，没有找到抑制干扰因素的有效方法，因 而，电磁试验方法没有从根本上取得有效的突破和改进。五十年代初期，傅 斯特发表了一系列的论文，其中包括消除电磁仪中某些干扰因素的理论分析 和试验研究成果，并研制了以阻抗分析法工作的补偿干扰因素的仪器，开创 了现代电磁检测方法和设备的研制工作n 。从此，电磁检测技术有了较快的 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 发展并广泛应用于生产实践，逐渐成为一种重要的无损检测方法。以后随着 多德、利比等人在理论上对涡流检测基本原理的深入研究，进一步提出了在 电磁试验方法中应用调制分析技术、多频方法和脉冲方法的理论依据。特别 是七十年代以来，电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展对电磁试验 产生了深刻的影响，促进了电磁检测原理的理论研究，研制和生产了各种性 能的电磁检测设备，大大拓展了电磁检测的应用范围，给电磁检测的发展带 来了新的前景n 引七十年代，西德傅斯特研究所就研制并出售用于混料分选 的各种电磁分选仪，如“m a g n a t e s tv h r ”仪。八十年代，日本也研制出小 型化的异材试验器及金属材料简易判断和分析器n 引 我国对电磁检测技术的研究起步较晚，8 0 年代才发表了若干较有份量 的研究论文，如“涡流检测的有限元模型和表面涡流探头的有限元分析和 “b 样条有限元法数值计算线圈阻抗 等，给出了应用二维有限元理论计算 线圈阻抗的方法和初步结果。近年来，以清华大学和南京航空航天大学为代 表的大专院校和科研单位，在人工神经网络技术和三维缺陷阻抗图的研究方 面撰写了很多有参考价值的论文，如“人工神经网络在涡流检测中的应用”、 “不锈钢管表面缺损涡流检测信号的仿真计算 和“三维探伤涡流场及其逆 问题的研究一等，已接近发达国家的研究水平，推动了我国电磁检测理论的 发展1 。 自1 9 8 5 年来，以万国庆，樊景云为首的课题组在我国电磁无损检测领 域取得了一系列成果，其中机械工业部下达的科研项目。新型s z g y 数字式钢铁硬度分选仪一和“s t g y 型数字式钢铁材质分选仪一系列仪器在 国内二千多家工矿企业得到了有效的应用，实现了钢材的混料分选，结构 钢、弹簧钢的硬度检测，高速钢的过烧检测，尤其在结构钢的快速无损定碳 以及表面裂纹、心部裂纹、折迭、疏松、气孔夹杂的检测等方面取得了良好 的效果。最新研制成功的w g 卜e 新型电磁无损检测仪从根本上解决了低 合金钢硬度与仪器数显值之间的“n 型关系，实现了以4 0 c r 钢和6 5 m n 钢为代表的五种低合金钢试样其回火硬度与仪器数显值之间的线性或者单值 关系n 钉。 尽管如此，由于电磁无损检测的复杂性，国内外的电磁无损检测仪在实 际生产中的检测效果不尽完善。电磁无损检测技术的完善还需要做大量的试 验研究工作，在检测仪器的高准确度、高灵敏度和智能化方面也有待进一步 的研究与提高。随着微电子、计算机、数学等技术的快速发展以及消费者对 产品的要求越来越高，有很多新技术应用到电磁无损检测中。如小波变换技 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 术、小波边缘检测技术、人工神经网络技术、磁光涡流成像技术、金属磁记 忆检测技术等等| 1 8 1 。 1 3 电磁无损检测技术展望 随着计算机技术在信号处理、智能控制领域的广泛应用，机械制造业网 络化、集成化的大规模生产需求的提高，各行业对无损检测的要求日益提 高，未来的电磁无损检测设备将具备以下特征n 巩删： 1 模块化和插卡化各种含数据采集、数据处理功能接口的无损检测插 卡将大量问世，借助于高速、高容量计算机，无损检测仪器的研制变得十分 容易德国k k 公司和法国s o f r a t e s t 公司在这方面已经走在前面。 2 智能化和图象显示功能未来的无损检测仪器应当是高度智能化的， 且检测结果可用图象显示出来。高智能化表现在具有良好的用户友好界面， 它能开机后自检，用菜单选择仪器测试参数，可调用和可存储仪器设定参数 及与p c 进行通讯和传输数据。 3 数据库及自识别功能未来无损检测仪器的一个最重要进步是具有对 被检对象的缺陷类型进行自动识别以及对被检对象的状态进行自动评价的功 能。因此，它应当拥有比较完备的数据库和专家评判系统，这是一项极富挑 战性的工作。 4 检测系统自动化各部门对无损检测技术的要求是不断提高检测的自 动化程度和缩短检测时间。在环境特别恶劣的地方，这具有决定性的意义。 1 4 课题研究的主要内容 由于本课题所采用的s o p c 技术比较新，以前从未在电磁无损检测设备 中使用过，技术经验上没有积累可供参考。要在新产品中使用这项技术，就 必须在设计中不断摸索，提出适合该控制系统的设计方案。根据实际研究的 需要将电磁无损检测系统划分为两部分：一部分是以模拟器件为主的模拟模 块，这部分主要完成激励信号的数模转换及放大及感应信号预处理部分等； 另一部分是数字模块，该部分主要包括数字信号处理系统、控制系统以及显 示报警等部分。 本文将在a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列f p g a 上以n i o si i 软核处理器 为基础设计一片上可编程系统，应用到钢铁材质自动分选仪的控制系统上 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 去。以下是本文的主要内容安排： 第一章分析课题背景及当前国内外电磁无损检测系统的发展现状。 第二章概述了电磁无损检测技术及s o p c 技术。 第三章介绍了基于f p g a 的电磁无损检测系统的整体方案，包括了主 要芯片的介绍和各个功能模块电路的设计与实现。 第四章详细叙述了f p g a 系统配置的构建过程，并分别描述了d d si p c o r e 和数字采集i pc o r e 的设计。 第五章介绍了钢铁材质分选系统中的相关软件设计。 、 第六章简要说明了系统的调试，以及调试中遇到的一些问题和试验的结 果。 作者的主要工作如下： 1 参与整个系统方案的讨论； 2 构建f p g a 系统配置，用v e r i l o gh d l 为控制系统设计灵活、精确 的信号发生器及高速高精度数据采集器； 3 完成f p g a 和c p l d 内部所有程序； 4 参与数字滤波的设计与调试； 5 利用相关方法提取出信号的幅值和相位； 6 利用最小二乘法建立回归方程模型； 7 完成电路板的调试和系统的连调。 哈尔滨理丁人学t 学硕l j 学位论文 第2 章相关知识介绍 2 1 电磁无损检测技术 2 1 1 电磁无损检测技术概述 电磁无损检测作为近代无损检测新技术的一个分支，是自1 9 3 9 年西德 傅斯特博士等人首先对磁滞回线作深入分析并应用于无损检测领域而逐步发 展起来的。随着电子、计算机技术的不断引入，电磁无损检测技术日趋兴 旺，已在航空航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、电力、有色金属及 汽车等领域得到了广泛的应用 2 1 | o 电磁无损检测技术是以电磁感应为基础，利用交变磁场直接作用于铁磁 材料本身，并通过对感应电流或电压振幅、相位的科学分析，从而成功的完 成钢铁材料及零部件的性能测试、质量检查和监控，混料分选，以及硬度、 表面淬硬层或覆盖层深度的测定心引广义的电磁无损检测技术指以磁场为主 要作用的方法，这种方法也叫磁感应法他3 2 。通常情况下，频率在1 5 0 0 赫 兹以上为涡流法，称涡流检测，由于是以电导率起作用，所以它一般用于非 铁磁性材料，如铜及其合金等；在1 5 0 0 赫兹以下为电磁法，称电磁检测。 钢铁原材料和零部件质量的快速电磁无损检测技术是无损检测技术领域 中的一种行之有效并在国内外获得迅速发展的新兴技术。特别是用初始幅值 磁导率法进行钢铁性能测试和裂纹等缺陷检测，具有逐件、全数检测、简 便、准确可靠和快速等特点 2 1 2 电磁无损检测技术原理 钢铁材料零件的成分和组织结构对其磁性能均有显著影响心5 1 三者之间 的关系可用图2 - 1 来说明。由图可见钢铁件成分和组织结构不同，必然导致 其物理性能和机械性能不同，即钢铁件成分和组织结构与物理性能和机械性 能是直接相关的，从而钢铁件的机械性能与其物理性能之间存在间接相关 性。因此，对某种钢铁件来说，能否用电磁法检测其热处理后的质量( 如硬 度) ，则取决于硬度与其磁性能指标( 如初始幅值磁导率) 之间是否存在单值 哈尔滨理t 人学t 学顾i ：学位论文 相关性。如果经试验确认磁性能指标与机械性能指标在某一范围内存在单值 相关关系，则可用电磁法来测量其机械性能，否则不能。因此，只要事先获 知或试验找出钢铁成分，组织结构和其机械性能如硬度等与其磁性能风、 研或心在相应范围内所具有的相关关系，则通过对风、毋或肋等磁性能参 数的测量，便可根据事先测得的关系曲线而求得其成分或机械性能( 如硬度) 等指标。根据被测参数是皿、研还是而分为初始幅值磁导率法、剩磁法 和矫顽力法 间接相关 图2 - 1 钢铁件成分、组织结构与其物理性能和机械性能关系 f i g 2 1r e l a t i o nb e t w e e nc o m p o s i t i o n 、s t r u c t u r ea n dp h y s i c a l 、m e c h a n i c a lp r o p e r t y 由于风、毋和口皆为化学成分和组织结构敏感参数，热处理工艺因素 对其大小影响很大【2 们。也、研和鼬的大小与外加磁场、材料的成分和组织 结构、应力、晶粒度和温度等诸种影响因素有关。一般来说，矫顽力有分选 速度低，需接触性测量并要求工件表面有较高的光洁度等缺点，虽然七十年 代国内外曾盛行一时，但仍未能在生产现场的大批量钢铁件检测中获得广泛 的应用。剩磁法的测量方法是首先用直流磁场将工件磁化，使工件在去除直 流磁场后带有剩磁，然后测量剩磁的大小这种方法需对工件经过预先退 磁，防止工件因带有剩磁而影响测量精度。测量后也必须退磁，以免影响钢 铁件随后的加工或使用性能。 由此可见，用磁导率法进行电磁无损检测在这一领域明显占据了优势。 2 1 3 磁导率法检测 电磁检测钢铁质量的磁导率法按供电电源类型分为直流法和交流法两 种。直流法速度慢，不易实现自动化，故很少应用。而交流磁导率法是目前 国内外应用最广泛的一种方法。交流磁导率法又分为中强度磁场下的磁导率 法和弱磁场下的初始磁导率法，前者应用中的工件的磁化区域多处于巴克豪 哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论义 森跃迁区，对供电电源要求较高，而初始磁导率法避免了上述缺陷。所谓初 始磁导率法，即工件在磁畴壁的可逆区域磁化的磁导率法。在这个区域，磁 化的场强在o 1 8 1 0 3 a m 范围内。实践证明，选用工件在磁畴壁的可逆位 移区域磁化的初始磁导率法，能够得到钢铁件成分和机械性能等与数字显示 值之问的相关性，从而达到电磁无损检测的目的。 初始磁导率法应分为初始幅值磁导率法和初始相位磁导率法心 。磁导率 法按其检测探头来讲又分为单探头法和双探头法( 也称差动法) 两种，现以单 探头法为例来说明其检测原理幢引钇一。 当一只空芯的磁化线圈( 通称螺旋线) 中通以正弦交流激磁电流后，线圈 内就产生一轴向的交变磁场。当被测钢铁件被置入该螺线管中时，在 的循环作用下，试样被交变磁化，其结果大大增强了原来的交变磁场。但同 时由于棒状试样的退磁场和试件中感应出的涡流产生的附加交变磁场，两者 之和皿又总是削弱原外加磁场珥的，如图2 - 2 所示。研究处理的方便，引 入一新的概念，即有效磁导率。和 f 图2 2 螺线管式探头的检测原理 f i g 2 - 2d e t e c t i o np r i n c i p l eo fs o l e n o i d a lp r o b e 由上述可知，0 和铲l 。只有在闭路下检测时，万= 1 。 这样，用测量线圈同轴绕制于磁化线圈上时，必在测量线圈中产生感应 电压e ，其大小为： 无工件工作时 e ：2 咖譬”l o 一( 2 - 1 ) 有工件工作时 e ：2 咖譬”嗡1 0 q ( 2 - 2 ) 式中：厂表示激励频率( h z ) ；d 表示测量线圈的直径( c m ) ；n 表示测量线圈 的匝数；胁表示工件的相对磁导率；谚表示工件的有效磁导率；表示磁 化线圈的激磁场强度( a m ) 。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 实际测量时，使用的螺线式探头线圈直径d 总是大于试件直径d 的。 设管内空气环的面积为： 敏空气环) 2 三( d 2 一d 2 ) ( 2 - 3 ) 则： 目空气环) = 2 a n ( d 2 - d 2 ) 日p 1 0 - 。 ( 2 4 ) 歇工件) = 2 n f n ( d 2 - d 2 ) a 够h ，1 0 8 ( 2 5 ) 测量线圈之总电压为这两部分电压的矢量和，即： 目总) = 2 咖譬【l - ( 寺2 + ( 争以m ， ( 2 - 6 ) 式中比值( 寺2 是工件截面与线圈内孔截面之比，称为充填系数t i o 。故上式 改写为： 段总) 2 e o ( 1 一，7 ) + r 。以。吻】 ( 2 - 7 ) 其中岛为无工件时测量线圈中的感应电势。通常情况下，检测过程总 是力求工件尽可能充填线圈，。即充填系数接近1 ，此时结果为最佳。 由上两式可知，测量线圈中的感应电动势e 在 d 、露、珥等量为定 值时，其改变量的大小与钢铁件的相对初始幅值磁导率和有效磁导率有关。 初始磁导率法适用于批量生产钢铁件的1 0 0 无损检测，其规格尺寸可认为 是一样的。可认为各钢铁件的退磁场的大小一样，且低频下产生的反磁场极 其微弱，因此感应电动势主要只与初始幅值磁导率有关。实际检测过程中， 检测信号中容易受到多种电磁信号的干扰而造成检测结果误判，故需要进行 多种信号处理才能提取所需要的检测特征信号在实际的应用中，以此根据 钢铁件的成分和机械性能与磁导率之间的相关性，可检测硬度、抗拉强度、 渗碳层深度、应力、钢中铁素体量或奥氏体量等。 2 2 s o p c 片上系统 软硬件协同设计是电子系统复杂化后的一种设计新趋势幢9 1 ，其中s o c 和s o p c 是这一趋势的典型代表。 哈尔滨理t 人学t 学硕i - 学位论义 可编程片上系统是一种特殊的嵌入式系统，是由美国a l t e r a 公司于 2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开发软件q u a r t u si i l 3 。s o p c 技 术提供了一种有效的解决方案，即用大规模可编程器件f p g a 来实现s o c 的功能。s o p c 基于f p g a 芯片，将处理器、存储器、i o 口等系统设计需 要的模块集成在一起，完成整个系统的主要逻辑功能，具有灵活的设计方 式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，从而使 电子系统设计进入一个全新的模式1 s o p c 结合了s o c 和f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征： 1 至少包含一个以上的嵌入式处理器i pc o r e ： 2 具有小容量片内高速r a m 资源； 3 丰富的i pc o r e 资源可供灵活选择； 4 足够的片上可编程逻辑资源； 5 处理器调试接口和f p g a 编程接口共用或并存： 6 可能包含部分可编程模拟电路； 7 单芯片、低功耗、微封装。 s o p c 技术实现方式一般分为三种： 1 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统目前最常用的嵌入式系统大 多采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。a l t e r a 公司 e x c a l i b u r 系列的f p g a 中就植入了a r m 9 2 2 t 嵌入式系统处理器；x i l i n x 公 司的v i r t e x i ip r o 系列中则植入了i b mp o w e p c 4 0 5 处理器。这样就能使得 f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现与处理器强大的软件功能结合，高效地实 现s o p c 系统。 2 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统在第一种实现方案中，由于 硬核是预先植入的，其结构不能改变，功能也相对固定，无法裁减硬件资 源，而且此类硬核多来自第三方公司，其知识产权费用导致成本地增加。如 果利用软核处理器就能有效克服这些不利因素。最具有代表性的软核处理器 是a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器和x i n l i n x 公司的m i c r o b l a z e 。 3 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统h a r d c o p y 就是利用原有的f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的s o p c 系统通过特定的技术直接 向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 设计中普遍存在的问题。 哈尔滨理t 人学t 学顶l j 学位论文 2 3 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展从早期的只能存储少量数 据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存 储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储器r ( e e p r o m ) ，发展到能完成中大规模的 数字逻辑功能的可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑( g a l ) ，今天已经发 展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 和现场可编程逻辑器。目前常用的可编程逻辑器件主要有简单的逻 辑阵列，复杂可编程逻辑器件和现场可编程逻辑阵列等三大类b 纠 2 3 1f p g a c p l d 概述 f p g a 与c p l d 都是在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的。 与以往的p a l 、g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几 十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部 件。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但是用法一样，所 以多数情况下不加以区分。f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，除了 具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： 1 随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上 百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达 到上百万门，所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成。 2 f p g a c p l d 芯片在出厂之前1 0 0 都做过测试，不需要设计人员承 担投资风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬 件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，f p g c p l d 的资金投入少，节 省了许多潜在的花费。 3 用户可以反复地编程、擦除、使用，或者在外围电路不动的情况 下，用不同软件就可实现不同的功能。因此，用f p g a c p l d 试制样本，能 以最快的速度占领市场。电路设计人员使用f p g c p l d 进行电路设计时， 不需要具备专门的i c 深层次的知识快速将产品推向市场。 哈尔滨理t 人学t 学顾i - q ：位论文 2 3 2f p g a c p l d 的基本结构 1 f p g a 的结构与原理f p g a 器件是x i n l i n x 公司于1 9 8 5 年首家推出 的，目前生产f p g a 的公司主要有x i n l i n x 、a l t e r a 、a c t e l 、l a t t i c e 、 q u i c k l o g i e 等。尽管这些f p g a 的具体结构和性能指标各有特色，但它们 都有一个共同之处，即由逻辑功能块排成阵列，并由可编程的互连资源连接 这些逻辑功能块，从而实现不同的设计典型的f p g a 包含三类基本资 源：可编程逻辑功能块、可编程输入输出块和可编程互连资源。可编程逻 辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个 阵列结构，分布于整个芯片；可编程输入输出块完成芯片内部逻辑与外部 管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包括各种 长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入 输出块连接起来，构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的 功能以及它们的互连关系，从而实现所需的逻辑功能。除了上述构成f p g a 基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，一般在 f p g a 中还可能包含以下可选资源：存储器资源；数字时钟管理单元；算数 运算单元；多电平标准兼容的i o 接口；高速串行i o 接口；特殊功能模块 及微处理器。 目前绝大部分f p g a 都采用查找表( l u t ：l o o ku pt a b l e ) 技术。这些 f p g a 中的最基本逻辑单元都是由l u t 和触发器组成的。a l t e r a 公司的 a c e x 芯片的结构如图2 - 3 所示。 由于u j t 主要适合s r a m 工艺生产，所以目前大部分f p g a 都是基于 s r a m 工艺的而s r a m 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，因此需要外 加一片专用的配置芯片在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到 f p g a 中，f p g a 就可以正常工作。 2 c p l d 的基本结构c p l d 器件大多采用e 2 c m o s 工艺制作，也有少 数厂商采用f l a s h 工艺。尽管不同p l d 厂家所生产的c p l d 器件的性能特 点各有不同，但它们的基本结构都是相似的。c p l d 至少包含三种结构：可 编程逻辑宏单元、可编程i o 单元和可编程内部连线。 c p l d 一般都是基于乘积项结构，与f p g a 相比相对简单。a l t e r a 公司 已经推出了基于查找表结构的c p l d ，即m a xi i 。m a xi i 芯片的结构见图 2 4 。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 图2 - 3 a c e x 芯片结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo f a c e xc h i p 阿 l o g i c l l o g i c l o g i c e l e m e n t e l e m e n te l e m e n t -h i ii o e 川 l 摭t |i 摭t | i l o g i c l 一 ie l e m e n ti ii m g i u u a ； 阿 l o g i cl o g i cl o g i c e l e m e n t e l e m e n te l e m e n t l ： r ii o eu 旧l o g 鲫i c l 摭。iie 黑l j m u l t i t r a c k i n t e r c o n n e c t 图2 - 4m a xi i 结构 f i g 2 _ 4s t r u c t u r eo fm a x i i 1 3 哈尔滨理丁人学t 学硕f ：学位论文 2 3 3n i o si i 软核处理器 n i o si i 软核处理器是a l t c r a 的第二代f p g a 嵌入式处理器，其性能超 过2 0 0 d m i p s 。n i o si i 系列包括3 种产品，分别是：n i o si i f , 最高的系统 性能；n i o si i s ，高性能，低f p g a 使用量；n i o si i e ，低性能，最低的 f p g a 使用量口引。 n i o si i 软核处理器由程序控制器、地址产生模块、通用目的寄存器及 控制寄存器、算术逻辑单元、异常控制器、中断控制器、指令数据缓存、自 定义指令逻辑接口、j t a g 调试模块、紧耦合数据存储器接口等部分组成。 这些组成模块可根据用户需求进行添加或删减，例如j t a g 调试模块可在系 统调试的时候添加，待系统测试无误后便可在产品中去除此模块，减少逻辑 占用量。 n i o si i 处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环 境、j t a g 调试器、实时操作系统和t c p i p 协议栈。设计者能够用q u a r t u s i i 开发软件中的s o p cb u i l d e r 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系 统，并能够根据系统的需求添加n i o si i 处理器核的数量。使用n i o si i 软件 开发工具能够为n i o si i 系统构建软件，即一键式自动生成适用予系统硬件 的专用c c + + 运行环境。n i o si i 集成开发环境提供了许多软件模板，简化 了项目设置此外，n i o si i 开发套件包括两个第三方实时操作系统 m i c r o c o s i i ，n u c l e u sp l u s 以及网络应用中使用的t c p i p 协议栈