基于ADSP-BF531的電渦流探傷系統(tǒng)設(shè)計

摘要：電渦流檢測技術(shù)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(shè)計了一款電渦流探傷系統(tǒng)，能夠進(jìn)行高速采樣和連續(xù)顯示，當(dāng)檢測到被測物體具有微裂紋時，能夠進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，并且結(jié)合同步動態(tài)隨機存取存儲器(SDRAM)和TFT-LCD將檢測結(jié)果清晰連續(xù)地顯示出來。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、采樣速度快、體積小，具有廣泛的實用價值。
關(guān)鍵詞：電渦流；ADSP-BF531；SDRAM；高速采樣

0 引言
    隨著現(xiàn)代物理學(xué)、材料學(xué)、微電子學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)也迅猛發(fā)展起來。無損檢測技術(shù)廣泛地應(yīng)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(chǎn)、加工及質(zhì)檢部門。常用的無損檢測技術(shù)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(shù)，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(fù)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(shù)， 它是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)，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(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻率響應(yīng)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(chǎn)生的表面應(yīng)力裂紋的檢測。本文設(shè)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(shù)據(jù)，后端采用ADSP-BF5 31作為數(shù)據(jù)處理單元，然后通過TFT-LCD進(jìn)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(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳送給ADSP-BF531數(shù)字信號處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)存儲到同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)中，并且控制TFT-LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制。如果檢測到被測物體存在裂紋，ADSP-BF531會進(jìn)行聲光指示報警。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 數(shù)字信號處理器ADSP-BF531
    ADSP-BF531是ADI公司的一款Blackfin數(shù)字信號處理器，最大時鐘頻率高達(dá)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(dá)148kbytes片內(nèi)存儲器，和兩個雙通道存儲器DMA控制器；系統(tǒng)外設(shè)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(shè)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(jìn)的調(diào)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(zhuǎn)換器的高速串行口進(jìn)行無縫連接，從而提高采樣速度。ADSP-BF531具有一個并行外設(shè)接口(PPI)，PPI包括一個專用時鐘引腳，多達(dá)3個幀同步引腳和多達(dá)16個數(shù)據(jù)引腳。輸入時鐘支持fSCLK／2MHz的并行數(shù)據(jù)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(qū)動TFT-LCD而無需再加額外的TFT-LCD驅(qū)動芯片，從而簡化了電路設(shè)計，降低成本。除此之外，ADSB-BF531處理器片內(nèi)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。多條片內(nèi)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(nèi)核能夠跟得上片內(nèi)和片外外設(shè)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)需要先存入SDRAM中，然后再將數(shù)據(jù)取出顯示出來，這樣才能滿足連續(xù)顯示的要求。[!--empirenews.page--]
2．2 數(shù)據(jù)采集單元
    數(shù)據(jù)采集單元的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字處理器能識別的數(shù)字信號，然后送入到處理器中，根據(jù)不同的需要由數(shù)字處理器進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。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(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)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(dá)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(qū)動設(shè)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(shù)據(jù)使能信號DE和R8G888格式的24位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，它為TFT-LCD提供了一個無縫的數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)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。

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2．4 同步動態(tài)隨機存取存儲器
    在TFT-LCD的驅(qū)動時序中，需要將全屏像素數(shù)據(jù)持續(xù)高速地提供給PPI數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，供TFT-LCD驅(qū)動程序使用；另一方面，AD采集的大量數(shù)據(jù)也需要存儲在特定的緩沖區(qū)，供系統(tǒng)以后調(diào)用。但是由于以上兩部分?jǐn)?shù)據(jù)量比較大，ADSP-BF531的內(nèi)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(shù)據(jù)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(jìn)行高速通信，并且不占用CPU時間，解放CPU去完成其他任務(wù)。本系統(tǒng)中采用DMA方式通過ADSP-BF531的EBIU接口，將要顯示的數(shù)據(jù)從SDRAM的顯示緩沖區(qū)中讀出，然后送給PPI數(shù)據(jù)接口，配合由定時器產(chǎn)生的行場信號，構(gòu)成TFT-LCD的完整驅(qū)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(shè)計
    本系統(tǒng)主要進(jìn)行金屬微裂紋的檢測，當(dāng)檢測到金屬表面存在裂紋時，需要進(jìn)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。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是在Visual DSP++4．5開發(fā)平臺上進(jìn)行的，把仿真器和BF531的JTAG口連接，可以對調(diào)試界面的程序進(jìn)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(diào)試應(yīng)用程序。

    ADSP-BF531是系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理的中心，協(xié)調(diào)各部件及人機交互工作，主要完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集和存儲的控制命令發(fā)送，并讀回數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)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(jù)TFT-LCD顯示坐標(biāo)計算的數(shù)據(jù)，主要用于顯示，SDRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B用于存放AD的采樣值，用于DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計算。

4 結(jié)論
    電渦流金屬探傷技術(shù)以其非接觸性、精度高、響應(yīng)快、不受油污等介質(zhì)影響等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文分別從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了電渦流探傷系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)部資源和高頻的特性，采用PPI接口驅(qū)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(shè)計，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，具有良好的實際推廣應(yīng)用價值。