2024年3月20日发(作者：联想y470怎么进入bios设置)

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第１０卷第７期　

２００８年７月　繇姆霪缔瘗　ＶｏＩ．１０　Ｎｏ。７　

Ｊｕ１．２００８　

基于嵌入式微处理器￥３Ｃ２５１０Ａ　

的非金属超声检测仪　

谢晓宇，吴锦湖，　李棉龙。陈和坤　

（汕头超声仪器研究所，　

广东汕头５１５０４１１　

摘　要：４ｔ，－ｍ了用于非金属无损检测ｆＮＤＴ）的超声检测仪的基本原理。给出了以嵌入式微　

处理器ＡＲＭ９４０Ｔ内核为主控制器，ｒＸＸｉｌｉｎｘ　Ｓｐａｒｔａｎ３　ＦＰＧＡ作为数据采集及信号处理核心，在　

Ｌｉｎｕｘ平台上实现新型数字式非金属超声检测仪的设计方法。　

关键词：嵌入式系统；ＡＲＭ９４０Ｔ；Ｌｉｎｕｘ；ＦＰＧＡ；超声检测仪　

Ｏ　引言　

超声波在介质中传播时．遇到不同介质的界　

面就将产生反射、折射、绕射和衰减等现象。超　

本文介绍的非金属超声检测仪以内嵌　

ＡＲＭ９４０Ｔ核、０．１８ｕｍ　ＣＭＯＳ标准工艺的３２位ＲＩＳＣ　

ＣＰＵ￥３Ｃ２５１０Ａ为控制中心。以高性能的现场可　

编程门阵列（ＦＰＧＡ）Ｓｐａｒｔａｎ３为信号采集及处理　

核心（内嵌１’Ｉ叮一ＬＣＤ显示控制器ＩＰ核），并辅以功　

声检测技术就是利用超声波在介质中的传播特性　

（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学　

量（如缺陷、厚度、密度、强度、硬度、流量、　

液位等）的测定。非金属超声检测仪主要用于混　

凝土的无损检测，也可用于木材、塑料、橡胶、　

石墨、碳素纤维、陶瓷等材料的物理性能测量。　

混凝土超声检测主要采用穿透式对测法来检　

测基桩的完整性或混凝土缺陷。利用该方法进行　

能强大的Ｌｉｎｕｘ操作系统平台。同时内置多套混　

凝土超声检测技术规程。从而设计了一款性能卓　

越，功能丰富的新型超声检测仪。　

１　ＣＰＵ和ＦＰＧＡ选型　

嵌入式系统ｆＥｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ）是以应用为　

中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，　

适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、　

功耗等要求比较严格的专用计算机系统。它是一　

操作时，如果试件完好，超声波则可由发射探头　

一

端顺利传播到达接收探头一端。如果试件中存　

在小缺陷，接收波的信号幅度就会有所降低，而　

当试件中存在大缺陷时。入射信号将被完全遮　

挡，接收波将完全消失。这样，根据接收波的传　

个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的　

知识集成系统。　

本系统选用的三星￥３Ｃ２５１０Ａ处理器中内嵌　

播时间、信号幅度和频率等。即可判别缺陷状况　

或材质内部的情况。　

目前，非金属超声检测仪主要为晶体管、集　

成电路混合式模拟仪器，采用ＣＲＴ示波管作为显　

示器，具有简单实用、直观、超声波形实时性好　

等特点，但体积大且笨重，功耗高，无法实现各　

种检测工艺的选择调用，也没有自动测读、存　

储、打印、传输等数字化处理功能，因而不适应　

当今用户的实际检测应用和数据库管理需求。　

收稿日期：２００８—０４－２８　

ＡＲＭ９４０Ｔ核。本设计主要考虑到这款芯片具有高　

达１６６　ＭＨｚ的主频且内含以太网控制器ｆＭＡＣ），　

同时具有６个３２位可编程计数器。２路异步串行通　

信接口。该器件内置有３２位看门狗定时器、两路　

ＵＳＢ　ｈｏｓｔ和一路ＵＳＢ　ｄｅｖｉｃｅ。并可支持嵌入式　

Ｌｉｎｕｘ。而Ｌｉｎｕｘ主要具有以下特点：　

（１）开放的源码，丰富的软件资源；　

（２）功能强大的内核，性能高效、稳定，多　

任务易于裁减：　、　

ｕｎｏｗ．ｅｃｄａ．ｃｎ　２００８．７电手元器件主用　２９　

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第１０卷第７期　

电子元器件主用　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　

ＶｏＩ．１Ｏ　Ｎｏ．７　

２０ｏ８年７月　

Ｊｕ１．２０ｏ８　

ｆ３）可支持多种体系结构；　

（４１完善的网络通信、图形、文件管理机制；　

（５）可支持大量的周边硬件设备；　

（６）具有良好的开发环境，不断发展的开发　

工具集。　

显示波形的水平线性）实时检测报警ｆ硬件报警　

闸门）、以及ＴＦＴ—ＬＣＤ显示控制ｆＬＣＤ信号驱动及　

其相关时序控制）等功能。　

在仪器功能方面．本系统充分利用了ＡＲＭ＋　

Ｌｉｎｕｘ嵌入式系统的优势，并扩展了网络、ＵＳＢ等　

丰富而功能强大的接口。利用￥３Ｃ２５１０Ａ集成的　

百兆网络，使得仪器可以实现ＰＣ机端Ｗｉｎｄｏｗｓ下　

本系统选用的Ｓｐａ￣ａｎ一３：ｔ￣Ｘｉｌｉｎｘ公司的新一　

代ＦＰＧＡ产品。是一款９０　ｎｍ工艺ＦＰＧＡ，采用１．２　

Ｖ内核，在超高速数据采集和信号处理方面有着　

明显的优势。该ＦＰＧＡ时钟频率高，内部时延小，　

硬件资源丰富。全部控制逻辑均可由硬件资源完　

成，而且速度快，效率高，组成形式灵活，并可　

集成外围控制、译码和接口电路。此外，它还带　

有先进的数字时钟管理器（ＤＣＭ），可为高性能电　

路设计提供更大的灵活性和更强的控制能力。　

２总体设计方案　

本系统由两部分组成，一部分是模拟信号前　

端（包括超声发射接收电路及电源电路）；另一部　

分是数字信号采集处理及控制后端ｆ简称超声主　

控计算机），也是本文主要介绍的部分。超声主　

控计算机的硬件总体框图如图１所示。　

图ｌ主控计算机硬件总体框图　

为了保证非金属超声检测仪１０～１　ＭＨｚ的工作　

频带、０．１　ｓ的声时测读精度Ｓｖｏ～１９９９９．９　Ｕｓ的可　

调测读范围，在ＦＰＧＡ设计时，还需用双口ＢＲＡＭ　

来实现高速大容量采样数据的缓存，同时应进行　

数字检波ｆ正向、负向、双向、Ｒ　和数字滤波　

ｆ程控带通ＦＩＲ滤波器可划分１０～２００　ｋＨｚ、１０～５００　

ｋＨｚ、１０～１　ＭＨｚ三档．保证不同频率探头的接收　

波信号都具有良好的滤波效果）等处理，此外，　

还要设计智能提取ｆ提取点动态分配算法以保证　

３Ｏ　电子元器件主用　２００８．７　ＷＷＷ．ｅｃｄｏ，．ｃｎ　

的上位机软件和检测仪上的ＬＣＤ同步实时显示，　

并可随时下载检测参数和上传检测数据与图片。　

由于扩展了ＵＳＢ　ＨＯＳＴ接口．因此，该仪器能接Ｕ　

盘、ＵＳＢ打印机、ＵＳＢ键盘鼠标等诸多设备。另　

外，由于本设计采用了最新的Ｌｉｎｕｘ内核，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　ＧＨｚ内核。　

３　系统硬件资源分配　

本系统中的主控计算机由ＡＲＭ核心板、计算　

机相关接口、信号采集、数字信号处理及相关电　

路等部分组成。　

３．１总线分配　

，

Ｓ３Ｃ２５１０Ａ￣ｑ，部有２４位地址总线。数据总线　

宽度为３２位。当外设芯片与ＣＰＵ相接时，主控计　

算机的数据总线宽度可设置为３２位、１６位或８位　

模式。本设计中，ＳＤＲＡＭ的数据总线宽度为３２　

位，Ｆｌａｓｈ、ＦＰＧＡ的数据总线宽度均为１６位。　

３．２外部地址空间分配　

Ｓ３Ｃ２５　１０Ａ可提供８路ＲＯＭ／ＳＲＡＭ／Ｆｌａｓｈ，Ｅｘｔｅｒ．　

ｎａｌ　Ｉ／Ｏ片选，ｎＭＣＳ［０～７１，每个片选的固定间隔　

为１６Ｍ字节。￥３Ｃ２５１０Ａ的内部设备是不需要分配　

外部地址空间的（如网络、ＵＳＢ、串口）。　

本设计中，各外围接口设备所对应的地址空　

间如下：　

（１１　ＮＯＲ　ＦＬＡＳＨ，ｎＭＣＳ０，１６　ＭＢ，用于存　

放ｐｐｃｂｏｏｔ￣Ｊ导程序、Ｌｉｎｕｘ内核，以及文件系统，　

包括管理程序、系统命令、库文件、字体文件、　

图片资源、应用程序和检测记录等；　

ｆ２１　ＦＰＧＡ连接ｎＭＣＳ３、ｎＭＣＳ４、ｎＭＣＳ５。其　

中ｋｅｙｂｏａｒｄ＋ＬＥＤ使用ｎＭＣＳ３；前端数字信号处　

理使用ｎＭＣＳ４；ＬＣＤ显示控制（ＣＲＴＣ）使用ｎＭ—　

ＣＳ５。　

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第１０卷

２ｏｏ８年７月　

第７期　

黪霪缔　痢　Ｖ０ｌ

Ｊｕ１．２ｏｏ８　

＿１０　Ｎｏ．７　

（３）主控计算机内存由一片１６Ｍ　ｘ１６位数据　

向通讯，在ＰＣ上读取仪器的屏幕显示图片、仪器　

宽度的ＳＤＲＡＭ构成（即３２Ｍ　ＲＡＭ），用ｎＭＣＳ６。　

的参数状态、存储记录区，也可向仪器写入参数　

主要用于动态数据缓存。　状态、回写已存记录文件等。同时在ＰＣ机上进行　

３．３　中断资源分配　

本地的文件操作和打印等。　

超声检测系统同时要处理的任务比较多，而　

￥３Ｃ２５１０Ａ可处理３６路中断，其中６路为外部　

且实时性要求高，因此，本检测应用程序中使用　

中断ＥＩＮＴｎ。在板上扩展的外设接口中，ＦＰＧＡ中　

了多线程技术，以便在保证系统能够快速响应的　

断资源为ＥＩＮＴ１、ＥＩＮＴ２、ＥＩＮＴ３、ＥＩＮＴ４、　

同时，能够实现更加丰富的功能。　

ＥＩＮＴ５、ＥＩＮＴ６。其中键盘用ＥＩＮＴ１，前端图像数　

据更新用ＥＩＮＴ２，系统关机按键用ＥＩＮＴ３，ＬＣＤ　

５　结束语　

ＣＲＴＣ控制用ＥＩＮＴ４。其它中断信号保留。　

本非金属超声检测仪设计新颖、性能优异、　

４软件设计　

操作简便、可靠性高，充分展现了嵌入式系统高　

性能、低成本、外围接口扩展丰富、低功耗等优　

根据实际非金属超声检测的要求．应用软件　

点。由于有高性能ＦＰＧＡ做底层支持，因而更便　

可以分为以下５个模块，如图２所示。　

于先进的超声信号处理的技术升级；另一方面，　

由于有功能强大，升级方便的Ｌｉｎｕｘ操作系统支　

持，本系统可在硬件扩展和针对不同非金属材料　

的专用检测软件开发与升级等方面提供极大的便　

图２超声应用软件模块分配　

利。　

ｆ１１实时探伤　

参考文献　

根据设定的超声检测技术规程，以每秒６０帧　

的速度实时显示回波信号，同时对闸门内的波形　

【１】　孙士友，王也夫，沈毅．一种基于ＡＲＭ９的嵌入式电采　

进行检验，若超标则进行报警提示。软件启动　

暖网络控制系统【Ｊ］．计算机应用，２００５，２５（９）：２２０８—　

后，首先执行首波声时、频率、灵敏度等指标的　

２２ｌ１．　

自动测读。为了便于比较，还应具有峰值记忆、　

【２】　ＵＳＥＲ＇Ｓ　ＭＡＮＵＡＬ￥３Ｃ２５ＩＯＡ一３２－Ｂｉｔ　ＲＩＳＣ　Ｍｉｃｒｏ—　

ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｒｅｖｉｓｉｏｎ　１．０．Ｓａｍｓｕｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．　

波形比较显示等功能。　

【３】　Ｃｒａｉｇ　Ｈｏｌｌａｂａｕｓｈ．嵌入式Ｌｉｎｕｘ一硬件、软件与接口　

ｆ２）参数下载　

【Ｍ】．陈雷，钟书毅，等，译．北京：电子工业出版社，２００３．　

向硬件系统下载与检测相关的参数，如声　

【４】　中国机械工程学会无损检测分会．超声波检测（第２版）　

速、探测范围、脉冲移位、探头零点、检波方式　

【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００４．　

等，同时检验参数的有效性并给出提示。　

ｆ３）报表打印　

硬拷贝屏幕显示，或者根据波形和参数形成　

检测报告并打印输出。　

ｆ４１数据集管理　

用于存储１０００个探伤记录，对记录进行存　

储、调出、删除和目录浏览，需要时还要将数据　

转存到Ｕ盘，并将图片存为ＪＰｇ格式。此外，也可　

通过短片回放，以观看最新的６４幅探伤图片，并　

将其保存为ＡＶＩ文件格式转存到Ｕ盘。　

ｆ５１网络通信　

在仪器上通过以太网接口与ＰＣ机联网进行双　

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