基于ADSP-BF531的電渦流探傷系統(tǒng)設計

摘要：電渦流檢測技術具有測量精度高、無污染等優(yōu)點，適用于對金屬微裂紋的檢測。文章設計了一款電渦流探傷系統(tǒng)，能夠進行高速采樣和連續(xù)顯示，當檢測到被測物體具有微裂紋時，能夠進行聲光報警。它是基于ADSP-BF531處理器本身的高速接口，利用高速模數轉換器進行采樣，并且結合同步動態(tài)隨機存取存儲器(SDRAM)和TFT-LCD將檢測結果清晰連續(xù)地顯示出來。本系統(tǒng)結構簡單、采樣速度快、體積小，具有廣泛的實用價值。
關鍵詞：電渦流；ADSP-BF531；SDRAM；高速采樣

0 引言
    隨著現(xiàn)代物理學、材料學、微電子學和計算機技術的發(fā)展，無損檢測技術也迅猛發(fā)展起來。無損檢測技術廣泛地應用于材料、航空航天、機械、核工業(yè)等方面，幾乎遍及各個生產、加工及質檢部門。常用的無損檢測技術包括超聲檢測、渦流檢測、射線檢測、磁粉檢測及滲透檢測。相比渦流檢測技術，超聲波和射線檢測需要加耦合劑，而且顯示不直觀；磁粉檢測污染環(huán)境，操作復雜；滲透法需要清洗試件，不易實現(xiàn)自動化等。渦流檢測是近年來發(fā)展較快的一種無損檢測技術， 它是以電磁感應為基礎的檢測技術，對表面開口裂紋很靈敏，在表面涂層、潮濕和水底等惡劣環(huán)境下也能開展檢測工作，具有結構簡單、靈敏度高、頻率響應特性好以及測試電路簡單等優(yōu)點， 特別適用于鋼鐵焊縫的疲勞裂紋和焊接時產生的表面應力裂紋的檢測。本文設計了一種電渦流探傷系統(tǒng)，它前端通過渦流傳感器采集數據，后端采用ADSP-BF5 31作為數據處理單元，然后通過TFT-LCD進行顯示，并發(fā)出報警信號。

1 電渦流探傷系統(tǒng)總體方案
    電渦流探傷系統(tǒng)主要由數據采集單元、數據處理單元、數據存儲單元、顯示單元和報警單元組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作時，由渦流傳感器采集數據，經過模數轉換傳送給ADSP-BF531數字信號處理器進行數據處理，將數據存儲到同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)中，并且控制TFT-LCD進行數據顯示和曲線繪制。如果檢測到被測物體存在裂紋，ADSP-BF531會進行聲光指示報警。

2 硬件電路設計
2．1 數字信號處理器ADSP-BF531
    ADSP-BF531是ADI公司的一款Blackfin數字信號處理器，最大時鐘頻率高達400MHz，有2個16位MAC，2個40位ALU，4個8位視頻ALU，以及1個40位移位器。并有高達148kbytes片內存儲器，和兩個雙通道存儲器DMA控制器；系統(tǒng)外設包含一個UART口，一個SPI口，兩個串行口(SPO RTs)，四個通用時鐘定時器(三個有PWM功能)，一個實時時鐘，一個看門狗時鐘定時器， 以及一個并行外設接口。RISC式寄存器和指令模型，編程簡單，編譯環(huán)境友好，先進的調試、跟蹤和性能監(jiān)視。
    電渦流探傷系統(tǒng)需要高速采樣，ADSP-BF531處理器提供2個雙通道同步串行端口(SPORT0和SPORT1)來完成串行和處理器的通信工作，SPOR T口正好可以與所選用的AD轉換器的高速串行口進行無縫連接，從而提高采樣速度。ADSP-BF531具有一個并行外設接口(PPI)，PPI包括一個專用時鐘引腳，多達3個幀同步引腳和多達16個數據引腳。輸入時鐘支持fSCLK／2MHz的并行數據傳輸率，同步信號可以被配置為輸入或輸出。  PPI支持各種通用模式和ITU-R656模式操作。PPI接口可以直接驅動TFT-LCD而無需再加額外的TFT-LCD驅動芯片，從而簡化了電路設計，降低成本。除此之外，ADSB-BF531處理器片內還有一個獨立的存儲器DMA通道，專用于在處理器的不同存儲空間，包括外部的SDRAM和異步存儲器，進行數據傳輸。多條片內總線能以133MHz的速度運行，提供了足夠的帶寬以保證處理器內核能夠跟得上片內和片外外設。本系統(tǒng)的數據采集單元采集的數據需要先存入SDRAM中，然后再將數據取出顯示出來，這樣才能滿足連續(xù)顯示的要求。
2．2 數據采集單元
    數據采集單元的任務，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成數字處理器能識別的數字信號，然后送入到處理器中，根據不同的需要由數字處理器進行相應的計算和處理，得出所需的數據。本系統(tǒng)采用的電渦流傳感器的輸出信號是0～+10V電壓信號，需要經過AD轉換成數字信號。在滿足系統(tǒng)要求的采樣頻率的情況下，為了使系統(tǒng)結構簡化，本系統(tǒng)采用ADI公司的AD7322ADC芯片。
    AD7322是一款基于iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝的雙通道、12位帶符號位的逐次逼近型ADC。AD7322可輸入雙極性模擬信號，它有四種軟件可選輸入范圍：±10 V、±5 v、±2．5 V和0～+10 V。每個模擬輸入通道支持獨立編程，可設為四個輸入范圍之一。本系統(tǒng)選用0～+10V輸入范圍。該ADC配有一個高速串行接口，最高吞吐量可達1 MSPS。該高速串行口與BF531的SPORT口兼容。AD7322與ADSP-BF531的接口原理圖如圖2所示。

2．3 TFT-LCD的驅動設計
    本系統(tǒng)中采用4．3英寸AT043TN24屏，它的的主要信號線有場同步信號Vsync、行同步信號Hsync、像素時鐘信號Pclk、數據使能信號DE和R8G888格式的24位數據信號，整個時序過程可以分為幀掃描過程和行掃描過程。
    Blackfin處理器的PPI口共20個引腳，每個時鐘周期可以收發(fā)16位數據，它為TFT-LCD提供了一個無縫的數據傳輸接口。我們采用的這款液晶屏的像素時鐘頻率是9MHz，由外部有源晶振提供，此有源晶振同時接PPI CLK引腳，為PPI提供時鐘。ADSP-BF531處理器的PPI接口具有3個幀同步引腳，將其中的TMR1／PPI FS1和TMR2／PPI FS2口分別與TFT-LCD的行同步信號Hsync、場同步信號Vsync相連。在設計中，我們采用的是16位R5G685格式顯示，所以將R、B的低3位和G的低2位直接接地。剩下的16位數據線與ADSP-BF531的PPI0到PPI15口相連。ADSP-BF531與TFT-LCD的連接原理圖如圖3所示。

2．4 同步動態(tài)隨機存取存儲器
    在TFT-LCD的驅動時序中，需要將全屏像素數據持續(xù)高速地提供給PPI數據總線，需要在系統(tǒng)中開辟一塊緩存區(qū)，用來存儲全屏像素數據，供TFT-LCD驅動程序使用；另一方面，AD采集的大量數據也需要存儲在特定的緩沖區(qū)，供系統(tǒng)以后調用。但是由于以上兩部分數據量比較大，ADSP-BF531的內部SRAM容量有限，無法滿足存儲要求，所以需要在外部擴展一片大容量緩存芯片。
    本系統(tǒng)中使用SDRAM作為片外緩存，它具有讀寫速度快、容量大和低成本等優(yōu)點，并且與ADSP-BF531的外部總線接口單元(EBIU)兼容。具體型號為K4S561632C，其存儲容量為4M×16Bit×4Banks(32M字節(jié))，工作電壓為3．3V，54腳TSOP封裝，兼容LVTTL接口，支持自動刷新和自刷新，16位數據寬度。
    ADSP-BF531處理器具有一個獨立的存儲器DMA通道，專門用于與外部存儲空間進行高速通信，并且不占用CPU時間，解放CPU去完成其他任務。本系統(tǒng)中采用DMA方式通過ADSP-BF531的EBIU接口，將要顯示的數據從SDRAM的顯示緩沖區(qū)中讀出，然后送給PPI數據接口，配合由定時器產生的行場信號，構成TFT-LCD的完整驅動時序，實現(xiàn)TFT-LCD畫面的連續(xù)顯示。ADSP-BF531與SDRAM的接口原理圖如圖4所示。

2．5 指示模塊設計
    本系統(tǒng)主要進行金屬微裂紋的檢測，當檢測到金屬表面存在裂紋時，需要進行聲光指示，這樣使得測量過程更加方便可靠。指示電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)的軟件設計主要是在Visual DSP++4．5開發(fā)平臺上進行的，把仿真器和BF531的JTAG口連接，可以對調試界面的程序進行Debug運行。BF531開發(fā)環(huán)境功能齊全、條目分明、簡潔易懂、操作方便，利用Visual DSP++項目管理環(huán)境，程序員可以開發(fā)和調試應用程序。

    ADSP-BF531是系統(tǒng)控制與數據處理的中心，協(xié)調各部件及人機交互工作，主要完成系統(tǒng)初始化、數據采集和存儲的控制命令發(fā)送，并讀回數據進行處理、分析與顯示，控制聲光指示系統(tǒng)。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。其中系統(tǒng)初始化包括配置PPI、DMA和Timer寄存器，設置SDRAM控制寄存器，配置SPORT0接口等功能。SDRAM中的顯示緩沖區(qū)A用于存放根據TFT-LCD顯示坐標計算的數據，主要用于顯示，SDRAM數據緩沖區(qū)B用于存放AD的采樣值，用于DSP進行數據分析和計算。

4 結論
    電渦流金屬探傷技術以其非接觸性、精度高、響應快、不受油污等介質影響等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用。本文分別從硬件和軟件兩方面詳細介紹了電渦流探傷系統(tǒng)的設計，本系統(tǒng)采用的是Blackfin處理器ADSP-BF531，充分利用ADSP-BF531處理器的內部資源和高頻的特性，采用PPI接口驅動TFT-LCD，采用EBIU口與SDRAM相連，利用SPORT0快速串口與ADC實現(xiàn)高速采樣，從而簡化電路設計，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，具有良好的實際推廣應用價值。