摘要：進行數字信號處理，利用TCP/IP協議實現C/S模式下的數據傳輸，實現了超聲探傷的跨平臺遠程監控。嵌入式探傷儀通過多線程技術進行多任務處理，集超聲探傷、數據存儲、網絡通信于一體。
關鍵詞：ARM；FPGA；嵌入式；超聲探傷

1 引言

超聲技術是無損檢測的一種重要方法，很多數字探傷儀以單片機（MCU）為核心，單片機固有的性能瓶頸制約了儀器的性能指標和功能擴展，存在存儲體積太小、實時性低等缺點。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，硬件和軟件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴格要求的專用計算機系統。基于ARM的處理器具有良好的性能并在嵌入式系統中得到了廣泛的應用^[1-2]。在超高速數據采集方面, FPGA (Field Programmable Gate Array現場可編程門陣列) 有著單片機和DSP 所無法比擬的優勢。FPGA 時鐘頻率高, 內部時延小,全部控制邏輯由硬件資源完成, 速度快, 效率高,提供了強大的信號處理能力，用于超聲信號高速濾波和壓縮。基于ARM和FPGA的嵌入式數字超聲探傷系統實現高速采集超聲檢測信號，擁有存儲大量回波圖像和數據的能力，而且實現了遠程監控。

2 系統硬件結構

系統的硬件結構圖如圖1所示，由ARM中央處理器、FPGA、超聲模擬前端和一些外設接口組成。本系統采用S3C2410A是一個由三星公司生產的32位的ARM920T核的微處理器，它是專門為手提設備設計，采用哈佛總線結構，具有MMU、AMBA總線。S3C2410A提供了一套完備的外圍接口，有利于系統的擴展^[3]。FPGA用于對超聲回波信號進行處理。盡管此系統自帶的存儲空間是有限的（共128MB），但是我們可以通過USB接口將超聲圖像和數據轉存到U盤。RS232用于嵌入式系統調試階段并可以查看調試信息。DM9000是完全綜合的、成本較低的單一快速以太網控制器芯片，具有通用的處理器接口，10/100M自適應，以及4K雙字節靜態存取存儲器。通過DM9000，探傷數據可以傳輸到遠程的計算機上。Linux操作系統存儲在Flash上，探傷數據和圖像暫存在DOC（Disk On Chip）。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）已經成為現代儀表用戶界面的主要發展方向，它不僅省電，而且能顯示大量的信息，如各種文字、曲線等等，本項目采用320 240的256色的真彩色液晶顯示器。

圖1 硬件結構圖

當系統開始運行時，探傷工人首先設置儀器參數，然后ARM向FPGA的相應寄存器下載參數，FPGA產生一個窄的脈沖來觸發超聲探頭發射超聲。FPGA控制ADC（Analog-Digital Converter）以60MHz的速度采集回波信號，超聲信號經過FPGA濾波后，再被壓縮成LCD屏幕的寬度，超聲回波圖像和檢測結果在LCD屏幕上顯示。DAC（Distance Amplitude Compensation）曲線和報警閘門也用于輔助探傷。圖2（a）是我們設計的超聲探傷儀樣品，圖2（b）內部結構圖。

圖2 超聲探傷儀

3 信號處理

    FPGA主要對信號進行濾波和壓縮。前端回來的回波信號含有很多干擾噪聲，因此必須先經過濾波處理。采用FIR濾波器來消除噪聲，由公式（1）定義，x(n) 是輸入的原始信號，y(n)是處理完的信號。FIR濾波器的優點是：系統總是穩定的，所有頻率的輸入信號產生同樣的偏移，從而消除了相位扭曲。

                                              (1)

    數據壓縮是從每幀數據中提取屏幕寬度（為320）的數據用來表示這幀數據。提取算法必須確保每幀中最大的和最小的數據不能被漏掉，因此我們首先將數據分成320段，然后分別在每段中尋找最大最小值作為該段代表值。

4 軟件設計

    由于Linux系統具有源碼開放、內核可定制裁減、實時性能好等特點，在嵌入式工業控制領域得到了廣泛的應用。本設計采用最新的Linux內核（Linux2.6.16），使得系統在響應速度，驅動功能等諸多方面都遠遠優于傳統的2.4 內核。 www.51kaifa.com

超聲探傷系統同時要處理的任務比較多，而且實時性要求高，因此在程序中使用多線程技術。和單線程相比，多線程程序可以并行執行多個操作，事件可以在他們到達后立刻得到處理。如圖3所示，本系統可以分為三個線程，分別為：(1)主線程 用MiniGUI實現實時探傷、參數下載和報表打印三個模塊的功能；(2) 讀數據線程 用于讀取實時探傷數據；(3)網絡線程 向上位機傳送探傷數據并接收上位機的控制命令。

圖3 應用軟件框架示意圖

在探傷儀上，我們以MiniGUI為基礎來實現界面功能，在上位機上使用VC++6.0來開發并采用WinSock技術來實現網絡功能。 MiniGUI是嵌入式 Linux 系統下一個輕量級的圖形用戶界面支持系統, 具有占用資源少、高性能、高可靠性和可配置等特點，該技術目前已比較成熟, 并已成功應用到很多嵌入式項目。www.51kaifa.com

    遠程監控是指將控制和網絡結合起來，通過計算機網絡技術實現在異地對現場設備的監測和控制。在國外，已有公司開發了AutoNDT軟件，將網絡技術用于超聲探傷中，通過Internet實現了遠程探傷診斷和聯網，并具有強大的本地數據處理功能^[4]。如圖4所示，遠程監控系統采用客戶端/服務器（C/S）模式，將探傷儀器設為服務器，上位機設為客戶端。由于超聲探傷常用于比較重要的行業，如火車鋼軌、鍋爐等缺陷的檢測，因此要求探傷數據準確性高，能夠真實地、完全地再現檢測檢測現場的數據^[5]。為實現這個目的，本項目網絡連接采用TCP/IP面向連接的協議，來確保探傷數據傳輸的準確性。

圖4  網絡系統結構圖

    探傷過程中，在上位機和探傷儀器上同步顯示了同樣的探傷波形及參數，在上位機上還可以通過網絡向探傷儀下載儀器參數。因此，有經驗的探傷專家可以通過上位機遠程監測和指導探傷過程，或者當探傷環境比較惡劣或危險時，探傷人員就不用親自到現場，只需在辦公室里通過網絡來遙控探傷儀進行探傷，大大提高了探傷的自動化程度與靈活性。

5 結語

利用FPGA在高速信號采集及數字信號處理方面的優勢，ARM9 CPU強大的控制及接口功能，以及嵌入式Linux和MiniGUI為網絡、可視化圖形界面、多線程等編程提供的便捷高效的底層支持，免費和開放原碼的優良特性，開發出的嵌入式通用探傷儀具有性能優異，功能豐富、可靠性高、界面友好、操作方便、性價比高等諸多優點，在工業數字探傷儀領域有極強的競爭力。另外，一方面，由于有高性能FPGA做底層支持，便于先進的信號處理方法在此儀器上的升級（比如說小波變換和時頻分析理論應用于超聲信號的處理）；另一方面，由于有功能強大，升級方便的Linux操作系統支持，為系統在硬件擴展和應用軟件升級等方面都提供了極大的便利。設計的超聲探傷系統具有完善的軟件功能，通過TCP/IP實現C/S模式下的跨平臺通信，可以對超聲探傷進行遠程監控。

參考文獻：

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[3]Samsung Electronics Co., Ltd.S3C2410A USER'S MANUAL, 2004

[4]KM.Abd El-Ghany; M.M.Farag; “AutoNDT:New Software for Remote Ultrasonic Scanning Via Internet”, NDT&E International, Volumn:35,2002

[5]郭其一, 吳松, 賈鵬．基于網絡的跨平臺遠程狀態檢測與故障診斷系統研究[J]中國科技信息,2005.11

導師批注：該論文結合實際項目的開發過程，詳細闡述了通過ARM和FPGA構造嵌入式超聲探傷系統的步驟，從硬件結構設計到軟件設計全方面地總結了項目設計的要點，觀點新穎，方案實用，可以作為一種嵌入式實施方案舉一反三地移植到新的應用上。

創新觀點：

1、  將ARM和FPGA構建嵌入式系統，并應用于超聲檢測系統，實現高速超聲信號采集和處理，并且數據存儲容量大。www.51kaifa.com

2、  構建跨平臺網絡通信系統，實現對超聲探傷的遠程監控，不但可以在遠程監測超聲探傷過程，還可以下載儀器參數控制探傷儀。