基于SOPC的非金属超声检测分析仪的研制

论文摘要

随着微电子技术、计算机技术、嵌入式技术的高速发展及其在工程检测中的应用,新的设计理念、新的实现方式不断出现,并突破了传统工程检测系统的设计模式。新一代嵌入式非金属超声检测系统的工作模式更为灵活,结构划分更为合理、任务分工更为科学,具有广泛的应用前景。本课题采用可重配置的软微处理器和嵌入式多任务实时操作系统,通过在FPGA中构建具有自主知识产权的SOPC系统,设计了模块化的嵌入式非金属超声检测仪,可完成声波采集、数据处理、人机友好交互等功能。该系统克服了传统声波检测仪上市周期慢、升级不方便、功耗高等缺点,在各方面有了很大的提高。根据非金属超声检测对系统结构和功能的新需求,本系统由SOPC系统、程控高压发射系统、数据采集以及各种接口系统组成。完成了基于NiosⅡ软核微处理器平台的SOPC系统构建。针对非金属超声检测系统对实时性、可靠性的要求,实现了μC/OS-Ⅱ操作系统在NiosⅡ的移植。文章首先介绍了超声检测的相关理论以及现状,并在此基础上详细介绍了硬件系统各模块的设计和部分软件模块的设计流程。基于低功耗便携式的设计思想,将大部分功能集成在FPGA内。接收系统采用程控滤波和程控放大,使得用户能根据回波信号的强弱和探头频率的不同而选择不同的滤波电路和放大倍数;交直流供电满足不同的应用场合;采用高分辨率大屏幕TFT液晶显示器,被测波形直观形象;触摸屏输入,操作方便。各种接口齐全,方便用户进一步数据处理。通过和其它仪器对比,该系统具有可重配置性好,重量轻等优点,为产品的升级提供了很大的方便。课题的研究成果对于自主创新的今天,具有很强的指导价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波检测的特点
• 1.3 非金属超声检测仪国内外现状和发展趋势
• 1.3.1 关于非金属超声检测仪
• 1.3.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.4 本论文的研究目的及主要研究内容
• 第二章 超声检测相关理论及技术简介
• 2.1 FPGA 简介
• 2.2 SOPC 技术简介
• 2.3 NIOSⅡ软核处理器
• 2.3.1 NiosⅡ软核处理器简介
• 2.3.2 NiosⅡ软核处理器开发流程
• 2.4 超声波检测的基本原理
• 2.4.1 声波的传播规律
• 2.4.2 声波在混凝土中的传播特点
• 2.4.3 声波透射法检测中的声波
• 2.4.4 超声波用于桩身混凝土检测时采用的物理量
• 2.4.5 声波检测的过程
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统的总体方案设计
• 3.1 系统总体构成设计
• 3.2 系统的功能、特点及主要性能指标
• 3.2.1 系统的基本功能
• 3.2.2 系统的性能特点
• 3.2.3 系统的主要性能指标
• 3.3 系统的硬件设计方案
• 3.3.1 FPGA 的选型
• 3.3.2 发射和接收系统
• 3.3.3 显示与输入系统
• 3.3.4 电源系统
• 3.4 系统软件
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统总体硬件实现
• 4.1 FPGA 主控电路及配置电路的设计
• 4.2 发射系统
• 4.2.1 超声换能器
• 4.2.2 发射电路的设计
• 4.2.3 程控升压电路设计
• 4.3 接收系统
• 4.3.1 输入限幅和程控衰减电路
• 4.3.2 程控滤波
• 4.3.3 程控放大电路
• 4.3.4 同步输入输出电路设计
• 4.4 模数转换电路的设计
• 4.5 存储系统的设计
• 4.6 时钟复位与晶振电路的设计
• 4.7 通信接口和显示触摸屏电路的设计
• 4.7.1 串行接口电路的设计
• 4.7.2 USB 通信电路的设计
• 4.7.3 LCD 显示电路的设计
• 4.7.4 触摸屏电路的设计
• 4.8 电源模块电路设计
• 4.8.1 可充电电池组
• 4.8.2 电源输出电路
• 4.8.3 锂电池充电管理
• 4.9 本章小结
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 μC/OS-Ⅱ操作系统的应用
• 5.2 基于NIOSⅡ的SOPC 系统设计
• 5.3 软件设计流程
• 5.4 数据采集模块设计
• 5.5 数据处理模块设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验及结果分析
• 6.1 实验一
• 6.2 实验二
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间公开发表的论文）
• 附录 B