[毕业设计精品]基于ARM920T核的S3C2410X嵌入式系统的无损检测论文

1、实验内容一 基于嵌入式系统的无损检测一种基于arm920t核的s3c2410x嵌入式的可用于螺栓、钢球、薄壁管材、小直径棒材和平面钢材等裂纹和缺陷无损检测仪的组成结构、硬件设计及软件编程。可根据不同的检测对象选择不同的传感器,使用不同的算法完成不同材料的表面及近表面的裂纹和缺陷无损检测,该仪器界面简洁,操作方便,具有高精度和高稳定性。在对螺栓、薄壁管材、小直径棒材和平面钢材等零件及材料的表面裂纹、近表面及内部材质缺陷裂纹的检测时,目前在国内基本上都是针对不同的零件及材料,使用专用检测仪进行无损检测,而且大多数还是由人工判别被测零件或材料的裂纹及缺陷。用一台检测仪,配备不同传感器,实现不同零件及

2、材料的表面裂纹、近表面及内部材质缺陷裂纹的自动判别在国内并不多见,国外尽管有一些多能无损探伤仪,其价格昂贵。根据市场需要,研制了基于arm9嵌入式的多功能无损检测仪。其功能如下:(1)以arm920t核的s3c2410x嵌入式cpu作为核心器件,可使用多种传感器,如:超声波传感器、爬波探头、电涡流传感器、多频阵列涡流传感器等。通过功能按键用户可选择检测对象和相应的传感器,在lcd上可对各参数标定,其检测的灵敏度可调,以适应于不同材质和用途的螺栓、钢球、薄壁管材、小直径棒材和平面钢材等无损检测。(2)既可在线全动实时检测,又可离线检测。当在线检测时,若配备相应的机械机构,如料箱、机架部分、自动进

3、料装置材质检测分选装置等,检测仪能自动对检零件进行检测,并可对合格和不合格零件进行分选,具有实时计数功能。(3)配备了对螺栓、钢球、薄壁管材、小直径棒材和平面钢材等零件或材料的表面及近表面的裂纹和缺陷无损检测的多种先进的算法,既能定性检测,又能定量分析,确定裂纹大小。能显示每个被检测零件或材料的裂纹分布及裂纹大小、深浅状况坐标图,经标定后可以得到准确的缺陷数据。(4)即可单机运行又可与pc机组成分布式控制检测系统。2检测仪硬件结构 1硬件以arm920t核的s3c2410x嵌入式cpu作为核心器件,主要包括存储器扩展电路、传感器检测及信号转换电路、lcd显示电路、键盘接口电路、通信接口电路、p

4、ll精确测时电路及声光报警电路等。硬件电路结构如图1所示。 1. 1传感器接口电路 可接超声波传感器、爬波探头、电涡流传感器、多频阵列涡流传感器等4种传感器,同时设计了与这4种传感器的信号检测与转换接口电路,下面介绍超声波发射与接收电路。超声波检测是利用超声波反射的原理检测工件缺陷。检测电路主要由探头、收/发电路、a /d转换等部分组成。其中,收/发电路完成从超声波发射和接收、衰减、检测、放大等一系列超声波信号在检测仪中的模拟部分的信号处理, 可通过s3c2410x中自带的a /d转换单元采集信号。超声波传感器接口的各部分电路如图2所示,检测仪采用的是单脉冲法,发射电路在发射控制信号的作用下,

5、产生激励超声波探头的高压脉冲信号。图2 ( a)中,vin为s3c2410x产生的超声波发射的控制信号,宽度为500 ns、重复频率为200 hz的脉冲信号,经tl、t2、驱动后送到t4的控制极; t4漏极经rl 接高压vch ,当t4截止时,电容器c在400 v电源的作用下,经r1 充电到400 v;当t4导通时, c经t4、r2 放电,在r2 上产生激励探头的高压。在图2 ( b)为超声波接收、放大及检波电路,超声波接收电路的作用是将接收换能器输出的微弱信号vin进行滤波、放大、检波、整形,得到满足要求的脉冲信号,最后送入s3c2410x微处理器进行数据处理,提取出所要测量的参数。在接收电

6、路中,采用了两级放大,前级放大选用低功耗、宽带运放max4132。第二级使用了带有自动增益控制(agc)的运算放大器ad603。前一级运放构成二阶无限增益多路反馈带通滤波器。它衰减有用信号( 200 khz) 以外的其他频率的干扰信号。通用运放max4132可以单电源供电(217615 v) ,也可双电源供电( 1135 3125 v) 。由于输入和输出端均设计为满电源工作幅度的轨到轨(rail2to2rail)结构,使得其直流精度方面非常出色。其低功耗的设计使得每个运放仅需要900a的工作电流。而且驱动能力强,能驱动低到250 的负载。电路中加入由t3,tr1组成的信号耦合电路及d5,d6组

7、成的检波电路,能有效的抑制干扰, 提高信噪比。检波后的探伤信号缓冲后输入至s3c2410x的a /d。 lcd显示屏的接口。如图3所示,左边为s3c2410x的lcd控制器引脚,右边为lcd显示器的引脚。 1.2通信接口电路 为了多种用途的需要,设计了多种通信接口: rs - 232接口、rs - 485接口、usb接口和can现场总线接口。图4所示的是can现场总线接口。 1.3检测过程 根据检测对象和技术要求选定所用传感器, 再选定试件,通过检测仪的键盘在屏幕上选定多功能检测仪的检测方法及解决方案, 对于没有检测经验的人员可用试件校正仪器参数,根据对试件表面上的人工裂纹缺陷检测情况来标定各

8、参数、调节灵敏度, 使其达到最佳情况。用户可按所标定的各参数和调节灵敏度来检测零件或材料。用户也可把所标定的参数和相应的配置存入检测仪的参数配置脚本文档中, 供以后使用。以采用超声爬波探头检测螺栓的裂纹缺陷为例说明检测仪的检测原理及应用 3 。图5 ( a)为螺栓示意图,检测时将直探头耦合面上贴一块透声斜楔块,声束通过透声斜块改变一定角度,因不超过第二临界角,仍然是纵波。探头位置应使主声束与齿面基本垂直,造成声束倾斜到达螺栓侧面,调整探头位置,使主声束指向螺栓过渡段,并覆盖全部“扫查范围”区段。扫查时,将探头保持相对位置沿端面移动一周进行探测。如声束不能全部覆盖危险段,则探头除做周向移动外,还

9、应做径向锯齿移动,以确保危险段的全面扫查。图5 ( a)标明了各齿的反射波代号,图5 ( b)为齿根完好的波形,波束扫查到7个齿面, d波为中心束所达之齿面返回信号,前面波形依次下降,而a、b、c波又相应较e、f、g号波为高,此波形可借助水平展开仔细观察。图5 ( c)为第e齿根的波形返回信号幅值升高,因裂纹较深,使f、g号齿因声阻断而消失。也有因裂纹深度不足以全部阻断声束,则f、g齿信号下降,下降幅度与裂纹深度相关。该方法容易掌握,因改变了声束指向,灵敏度相对提高。 波形显示图1.4检测系统的模块化设计软件设计采用了当前嵌入式开发流行的三层架构体系:(1)面向硬件的驱动层: 主要提供硬件的启

10、动、关闭及调节参数,如lcd驱动程序、a /d驱动程序、串行口驱动程序、can总线驱动程、a /d转换器驱动程序等;(2)面向控制的系统层: 主要提供对驱动层的功能调用并向用户层提供接口调用;(3)用户层:用户可通过一系列的函数接口,包括对不同传感器的信号采集模块、数字信号处理模块、各种检测的算法及解决方案模块等,以达到对零件或材料的无损检测。另外,检测仪系统采用了基于模块化的设计思想以利于必要时的升级与替代。基于arm9的多功能无损检测仪采用了嵌入式linux平台开发,在对linux的移植时定制内核、定制用户程序、编译linux(把应用程序和linux内核一起编译) 、烧写映象文件及运行。由

11、于整个过程比较复杂,涉及到汇编程序、c语言程序、驱动程序、程序调试等。检测仪的用户层主程序框图如图6所示。 1.5结束语 检测仪可接4种不同类型的传感器,即:超声波传感器、超声爬波探头、电涡流传感器、多频涡流传感器,每种传感器用于检测不同的零件或材料。在使用该检测仪时,通常,超声波传感器用于表面下裂纹缺陷深度的定量确定;超声爬波穿探头适合对于表面粗糙的工件近表面缺陷或薄中的缺陷的检验,如铸件、堆焊层等表面下缺陷裂纹以及螺栓根部的裂纹等。因为爬波产生的是一种压缩波,最大幅值方向与表面成一小角度,仅在表面下传播,表面散射相对较弱,对表面粗糙度不敏感。电涡流传感器使用范围广,不需要耦合剂,适用于在高

12、温下对工件进行检测,但只适合导电材料,而且干扰因素多,需要特殊的信号处理,对形状复杂的零件检测效率较低;阵列式传感器不需使用机械式探头扫描即可实现大面积范围的高速测量,且能够达到与单个传感器相同的测量精度和分辨率,有效地提高了传感器系统的测试速度、测量精度和可靠性,此外,传感器阵列的结构形式灵活多样,可以非常方便地对复杂表面形状的零件进行检测。经过实际运行证明:采用基于arm9嵌入式的多功能无损检测仪,系统结构简洁运行平稳,测定精度高,满足实际零件或材料的裂纹及缺陷检测要求。二例子：西瓜成熟度无损检测21系统概述西瓜成熟度检测仪是基于stc52单片机通过驻极体话筒(mic)采集西瓜被敲击时的音

13、波信号，并用单片机进行音波信号的数字处理，分析出被敲击瓜的成熟度情况，并显示出检测到的成熟度。该成熟度检测仪是便携式的，能够适合瓜农在采摘瓜时判断成熟度，也适用于广大消费者在购买西瓜时挑选合适成熟度的西瓜。2.2设计的流程实际设计时，首先进行整体方案的设计，包括敲击装置的机械部分设计和电子电路的设计。为了提取出准确的成熟度特征值，必须对大量的数据进行采集分析，这个整理过程如果基于pc机则能够节约大量的时间，也提高了特征值的准确度和可信度。为此，先进行数据采集系统的设计。为保证数据可靠性，数据采集时完全按照实际运用时的情况设计电路。接着通过大量实验把不同成熟度的西瓜的敲击音波信号采集到pc机，对

14、这些大量的不同成熟度西瓜的敲击音波信号数据进行分析处理，提取出能够反映不同成熟度西瓜的音波信号特征值。最后把可行的数字信号处理过程移植到单片机中，并由单片机计算实际敲击时得到的敲击音波信号的实际特征值，根据这个特征值计算出实际被敲击西瓜的成熟度，并显示出来。系统设计流程图如图11 2.3 整体的硬件设计方案硬件电路的方案的拟定必须考虑所要用到的每种模块，要组成一个系统必须考虑到方方面面，单片机作为整个系统的核心，进行各运算和控制。根据研究发现西瓜敲击音波信号不仅与西瓜成熟度，也与西瓜的重量有密切的关系。因此要能够准确的检测西瓜的成熟度，不仅仅需要采集敲击的音波信号而且也需要大概测量出西瓜的大小

15、，考虑到称重法不方便，忽略西瓜成长过程中密度的变化(约5)，检测仪既要采集敲击音波信号，也要大致测出西瓜的半径。西瓜的敲击音波信号由mic采集，通过放大电路，模数转换后用单片机控制存入数据存储器。根据贴于简支梁上应变片的桥路的输出信号，能大致得出西瓜大小。采集的点数较多，达1024个，因此单片机片内存储器不能满足存储要求，需要对数据存储器进行扩展。显示模块为了更好的进行人机互换，提示操作过程并显示测量结果。整体的硬件设计方案如图12图2.4 整体的软件结构设计整个软件是针对单片机进行编程，根据操作流程，软件结构设计如下：启动系统后，采集西瓜应变片桥路信号，并计算西瓜半径，存于内部数据存储器中。

16、敲击西瓜后，单片机开始采集敲击音波信号，把信号数据存于62256或6264sram中，对采集到的敲击音波信号进行数字信号处理，得出相应的特征值。根据西瓜成熟度的特征值，结合半径参数计算出成熟度，并显示出来。如图13 2.5结束语本章从整体上对整个系统的设计流程、硬件电路的设计以及软件的编写给予了大致的说明，介绍了我们选用的方案，并给出了相应的框图。 三基于arm的嵌入式超声无损探伤系统超声技术是无损检测的一种重要方法，很多数字探伤仪以单片机（mcu）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，存在存储体积太小、实时性低等缺点。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件和

17、软件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。基于arm的处理器具有良好的性能并在嵌入式系统中得到了广泛的应用1-2。在超高速数据采集方面, fpga (field programmable gate array现场可编程门阵列) 有着单片机和dsp 所无法比拟的优势。fpga 时钟频率高, 内部时延小,全部控制逻辑由硬件资源完成, 速度快, 效率高,提供了强大的信号处理能力，用于超声信号高速滤波和压缩。基于arm和fpga的嵌入式数字超声探伤系统实现高速采集超声检测信号，拥有存储大量回波图像和数据的能力，而且实现了远程监控。3.1 系统硬件结构系统的硬件

18、结构图如图1所示，由arm中央处理器、fpga和一些外设接口组成。本系统采用s3c2410a是一个由三星公司生产的32位的arm920t核的微处理器，它是专门为手提设备设计，采用哈佛总线结构，具有mmu、amba总线。s3c2410a提供了一套完备的外围接口，有利于系统的扩展。fpga用于对超声回波信号进行处理。尽管此系统自带的存储空间是有限的（共128mb），但是我们可以通过usb接口将超声图像和数据转存到u盘。rs232用于嵌入式系统调试阶段并可以查看调试信息。网络net是完全综合的、成本较低的单一快速以太网控制器芯片，具有通用的处理器接口，10/100m自适应，以及4k双字节静态存取存储

19、器。通过网络net，探伤数据可以传输到远程的计算机上。linux操作系统存储在flash上，探伤数据和图像暂存在doc（disk on chip）。液晶显示器lcd（liquid crystal display）已经成为现代仪表用户界面的主要发展方向，它不仅省电，而且能显示大量的信息，如各种文字、曲线等等，本项目采用320 240的256色的真彩色液晶显示器。图1 硬件结构图当系统开始运行时，探伤工人首先设置仪器参数，然后arm向fpga的相应寄存器下载参数，fpga产生一个窄的脉冲来触发超声探头发射超声。fpga控制adc（analog-digital converter）以60mhz的速度

20、采集回波信号，超声信号经过fpga滤波后，再被压缩成lcd屏幕的宽度，超声回波图像和检测结果在lcd屏幕上显示。dac（distance amplitude compensation）曲线和报警闸门也用于辅助探伤。图2（a）是我们设计的超声探伤仪样品，图2（b）内部结构图。图2 超声探伤仪3.2 信号处理方面fpga主要对信号进行滤波和压缩。前端回来的回波信号含有很多干扰噪声，因此必须先经过滤波处理。采用fir滤波器来消除噪声，由公式（1）定义，x(n) 是输入的原始信号，y(n)是处理完的信号。fir滤波器的优点是：系统总是稳定的，所有频率的输入信号产生同样的偏移，从而消除了相位扭曲。 (1

21、) 数据压缩是从每帧数据中提取屏幕宽度（为320）的数据用来表示这帧数据。提取算法必须确保每帧中最大的和最小的数据不能被漏掉，因此我们首先将数据分成320段，然后分别在每段中寻找最大最小值作为该段代表值。3.3 软件设计由于linux系统具有源码开放、内核可定制裁减、实时性能好等特点，在嵌入式工业控制领域得到了广泛的应用。本设计采用最新的linux内核（linux2.6.16），使得系统在响应速度，驱动功能等诸多方面都远远优于传统的2.4 内核。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，因此在程序中使用多线程技术。和单线程相比，多线程程序可以并行执行多个操作，事件可以在他们到达后立

22、刻得到处理。如图3所示，本系统可以分为三个线程，分别为：(1)主线程 用minigui实现实时探伤、参数下载和报表打印三个模块的功能；(2) 读数据线程 用于读取实时探伤数据；(3)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。图3 应用软件框架示意图在探伤仪上，我们以minigui为基础来实现界面功能，在上位机上使用vc+6.0来开发并采用winsock技术来实现网络功能。 minigui是嵌入式 linux 系统下一个轻量级的图形用户界面支持系统, 具有占用资源少、高性能、高可靠性和可配置等特点，该技术目前已比较成熟, 并已成功应用到很多嵌入式项目。远

23、程监控是指将控制和网络结合起来，通过计算机网络技术实现在异地对现场设备的监测和控制。在国外，已有公司开发了autondt软件，将网络技术用于超声探伤中，通过internet实现了远程探伤诊断和联网，并具有强大的本地数据处理功能4。如图4所示，远程监控系统采用客户端/服务器（c/s）模式，将探伤仪器设为服务器，上位机设为客户端。由于超声探伤常用于比较重要的行业，如火车钢轨、锅炉等缺陷的检测，因此要求探伤数据准确性高，能够真实地、完全地再现检测检测现场的数据5。为实现这个目的，本项目网络连接采用tcp/ip面向连接的协议，来确保探伤数据传输的准确性。图4 网络系统结构图探伤过程中，在上位机和探伤仪

24、器上同步显示了同样的探伤波形及参数，在上位机上还可以通过网络向探伤仪下载仪器参数。因此，有经验的探伤专家可以通过上位机远程监测和指导探伤过程，或者当探伤环境比较恶劣或危险时，探伤人员就不用亲自到现场，只需在办公室里通过网络来遥控探伤仪进行探伤，大大提高了探伤的自动化程度与灵活性。3.4 结语利用fpga在高速信号采集及数字信号处理方面的优势，arm9 cpu强大的控制及接口功能，以及嵌入式linux和minigui为网络、可视化图形界面、多线程等编程提供的便捷高效的底层支持，免费和开放原码的优良特性，开发出的嵌入式通用探伤仪具有性能优异，功能丰富、可靠性高、界面友好、操作方便、性价比高等诸多优

25、点，在工业数字探伤仪领域有极强的竞争力。另外，一方面，由于有高性能fpga做底层支持，便于先进的信号处理方法在此仪器上的升级（比如说小波变换和时频分析理论应用于超声信号的处理）；另一方面，由于有功能强大，升级方便的linux操作系统支持，为系统在硬件扩展和应用软件升级等方面都提供了极大的便利。设计的超声探伤系统具有完善的软件功能，通过tcp/ip实现c/s模式下的跨平台通信，可以对超声探伤进行远程监控。4实验指导4.1实验指导例子1指导练习内容：设计一个方案，实现用探伤仪实现无损检测。(1) 实验分析 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

26、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上图1所示。系统中选用s3cz科0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&tfr);3路异步串行通信接口;内置看门狗定时电路及实时时钟(rte);内部集成两路usbhost和一路usbdevice;对嵌人式linux良好的支持等。minigui则是一个基于linux、面向嵌人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比左右，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

27、人式limix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一3结构与virtex-11类似，1.2v内核，其在超高速数据采集和信号处理方面有着明显的优势。在仪器性能方面，为了保证数字超声探伤仪o.olmm的检测精度和o一6000mm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.smhz一巧mhz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，

28、充分利用arm+linux嵌人式系统的优势，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limix内核(linuxz616)，系统在响应速度、驱动功能等诸多方面都远远优于传统的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extz文件系统。(2) 实验步骤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)。数据总线宽度为犯位。当

29、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犯位、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l所示。外部地址空间分配53c2440提供8路片选，ngcs0一71，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:(l)norflash，ngcso，接的是一片smxl6位数据宽度的intelte28f128flash，用于存放ppcboot引导程序和linux内核;(2)网络芯片dm9000，使用ngcsi，用于网络传输收发数据的转存;(3)doc，使用ngcsz，存放文件系统包括管理程

30、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16mx16位数据宽度的sdram构成，两片拼成犯位模式，共用ngcs6。共64mram，用于动态数据缓存。待添加的隐藏文字内容3中断资源分配s3cz料0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dmg(x)0使用einto。fpga扩展中断资源为einti、eintz、eint3、eint4、eints、eint6及eint7。键盘用eintz，前端图像数据更新表，外部设备总线宽度设置用eint3，回波频率测试数据更新用eint4，系统关机按键用einti。其他中断信号保留。系统软件设计系统软件的总体框图如图3。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。在保证系统能够快速响应的同时，还能够实现丰富的功能。和单线程相比，多线程程序可以并行执行多个操作，所以事件可以在他们到达后立刻得到处理。本系统可以分为