基于FPGA的超声波数据采集系统

论文摘要

超声波探伤作为一种重要的无损检测技术已经在国防工业、机械制造等领域获得了广泛应用。现有的便携式超声波探伤系统通常采用单片机或DSP实现方案,软件设计非常复杂,实现难度大,代码移植和重用比较困难,因此不便于系统的升级和维护。近年来,嵌入式技术在许多领域的应用日益广泛,在超声波无损检测领域有着广阔的应用前景。本文提出了一种基于嵌入式技术的新型便携式、可存储的超声波探伤系统方案。该方案以汕头超声仪器研究所的CTS-22A超声探伤仪为基础,采用“ARM+FPGA”硬件架构和嵌入式Linux操作系统相结合的设计思想,解决了该探伤仪只能实时显示探伤波形而无记忆功能的缺陷。为了解决超声波探伤中的高速数据处理问题,方案采用了Samsung公司的嵌入式处理器S3C2410X和Altera公司的Cyclone系列的FPGA作为系统的硬件平台,其中FPGA用来作为高速数据的缓冲,将高达30M的高速采集数据转换成ARM可以读取和存储的低速数据;而在ARM端,成功地将嵌入式Linux操作系统移植到该平台上,并开发出相应的GPIO、USB、LCD等驱动程序;同时,还完成了探伤仪的闸门产生电路,从硬件上实现了对采集数据的压缩。最后,由ARM处理器将采集到的数据通过USB存储到一个大容量硬盘中,再由上位机将采集的数据从硬盘中读出并还原为波形信号以供分析,这样就实现了数据的存储和离线分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声波探伤技术简介
• 1.2.1 超声波的基本概念
• 1.2.2 超声波探伤的基本原理
• 1.3 便携式超声波探伤系统性能指标
• 1.4 嵌入式系统技术
• 1.4.1 嵌入式系统的特点
• 1.4.2 嵌入式系统开发的基本流程
• 1.5 本课题研究的内容和安排
• 2 数据采集系统的总体设计方案
• 2.1 系统的工作原理和性能指标
• 2.2 系统的总体设计思想和设计框架
• 2.2.1 系统的总体设计思想
• 2.2.2 系统的总体设计框架
• 2.3 系统关键部分的解决方案
• 2.4 本章小结
• 3 系统硬件设计
• 3.1 硬件系统总体设计
• 3.2 闸门信号电路
• 3.2.1 闸门信号的工作原理
• 3.2.2 闸门信号产生电路
• 3.3 采集信号调理和A/D转换电路
• 3.4 FPGA模块
• 3.5 ARM系统
• 3.6 本章小结
• 4 FPGA系统的软件设计
• 4.1 FIFO的配置
• 4.2 FPGA系统前端的软件实现
• 4.3 FPGA系统后端的软件实现
• 4.3.1 DMA简介
• 4.3.2 DMA工作时序
• 4.3.3 FPGA模块和ARM的互连
• 4.4 本章小结
• 5 嵌入式Linux向ARM平台的移植
• 5.1 嵌入式Linux的组成
• 5.2 bootloader—uboot的移植
• 5.2.1 Bootloader简介
• 5.2.2 Bootloader的启动
• 5.3 U-Boot分析和移植
• 5.3.1 U-Boot源码结构
• 5.3.2 U-Boot的移植过程
• 5.4 嵌入式Linux内核移植
• 5.5 根文件系统的构建与挂载
• 5.5.1 根文件系统简介
• 5.5.2 制作根文件系统
• 5.6 网络引导的服务器设置
• 5.6.1 设置DHCP监控程序
• 5.6.2 TFTP服务器设置
• 5.6.3 NFS服务器的设置
• 5.6.4 目标板的配置
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 移植U-Boot过程中的代码修改
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢