1 引言

　　超聲技術(shù)是無損檢測的一種重要方法，很多數(shù)字探傷儀以單片機(jī)（MCU）為核心，單片機(jī)固有的性能瓶頸制約了儀器的性能指標(biāo)和功能擴(kuò)展，存在存儲(chǔ)體積太小、實(shí)時(shí)性低等缺點(diǎn)。

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，硬件和軟件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　基于ARM的處理器具有良好的性能并在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在超高速數(shù)據(jù)采集方面， FPGA （Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列） 有著單片機(jī)和DSP 所無法比擬的優(yōu)勢。

　　FPGA 時(shí)鐘頻率高， 內(nèi)部時(shí)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(qiáng)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(shù)字超聲探傷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速采集超聲檢測信號，擁有存儲(chǔ)大量回波圖像和數(shù)據(jù)的能力，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(shè)接口組成。本系統(tǒng)采用S3C2410A是一個(gè)由三星公司生產(chǎn)的32位的ARM920T核的微處理器，它是專門為手提設(shè)備設(shè)計(jì)，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有MMU、AMBA總線。

　　圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

　　S3C2410A提供了一套完備的外圍接口，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展［3］。FPGA用于對超聲回波信號進(jìn)行處理。盡管此系統(tǒng)自帶的存儲(chǔ)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到U盤。RS232用于嵌入式系統(tǒng)調(diào)試階段并可以查看調(diào)試信息。

　　DM9000是完全綜合的、成本較低的單一快速以太網(wǎng)控制器芯片，具有通用的處理器接口，10/100M自適應(yīng)，以及4K雙字節(jié)靜態(tài)存取存儲(chǔ)器。通過DM9000，探傷數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上。

　　Linux操作系統(tǒng)存儲(chǔ)在Flash上，探傷數(shù)據(jù)和圖像暫存在DOC（Disk On Chip）。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）已經(jīng)成為現(xiàn)代儀表用戶界面的主要發(fā)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(xiàng)目采用320 240的256色的真彩色液晶顯示器。

　　當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，探傷工人首先設(shè)置儀器參數(shù)，然后ARM向FPGA的相應(yīng)寄存器下載參數(shù)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生一個(gè)窄的脈沖來觸發(fā)超聲探頭發(fā)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(jīng)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(jié)果在LCD屏幕上顯示。

　　DAC（Distance Amplitude Compensation）曲線和報(bào)警閘門也用于輔助探傷。圖2（a）是我們設(shè)計(jì)的超聲探傷儀樣品，圖2（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　圖2 超聲探傷儀

　　3 信號處理

　　FPGA主要對信號進(jìn)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(jīng)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(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，所有頻率的輸入信號產(chǎn)生同樣的偏移，從而消除了相位扭曲。

　?。?） 數(shù)據(jù)壓縮是從每幀數(shù)據(jù)中提取屏幕寬度（為320）的數(shù)據(jù)用來表示這幀數(shù)據(jù)。提取算法必須確保每幀中最大的和最小的數(shù)據(jù)不能被漏掉，因此我們首先將數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

　　由于Linux系統(tǒng)具有源碼開放、內(nèi)核可定制裁減、實(shí)時(shí)性能好等特點(diǎn)，在嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用最新的Linux內(nèi)核（Linux2.6.16），使得系統(tǒng)在響應(yīng)速度，驅(qū)動(dòng)功能等諸多方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2.4 內(nèi)核。

　　超聲探傷系統(tǒng)同時(shí)要處理的任務(wù)比較多，而且實(shí)時(shí)性要求高，因此在程序中使用多線程技術(shù)。和單線程相比，多線程程序可以并行執(zhí)行多個(gè)操作，事件可以在他們到達(dá)后立刻得到處理。