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手持式超声波探伤硬件系统的研制

作　者: 黄元谦
导　师: 徐大专
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 超声波探伤嵌入式系统数字检波非均匀抽取硬件实时报警 ARM处理器 FPGA
分类号: TH878.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着超声检测理论日益成熟,以及现代大规模集成电路和计算机技术的快速发展,超声波检测技术以其快速、准确、高效、无污染、低成本等特点,广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天等工业部门,成为保证工程质量、确保设备安全的一种重要手段。近年来,超声探伤系统正向着高速度、数字化、自动化和智能化方向发展,便携式、低功耗产品正成为探伤作业的一大需求。本课题旨在研制一台基于嵌入式平台的手持式超声波探伤系统,因而,小型化、低功耗、高性能成为该设计的主要着眼点。主要工作如下:1.提出并实现了基于ARM+FPGA平台的手持式超声波探伤硬件平台的设计方案。ARM处理器因其低功耗、高性能的特点,通过移植Linux操作系统,作为整个平台运算、控制的核心;FPGA负责完成回波信号的预处理以及系统的同步时序控制。2.通过Verilog编程完成数字检波、非均匀最大值抽取、硬件闸门报警等系统关键技术的仿真与验证,解决传统仪器重复刷新频率低、扫查速度慢、检测可靠性差等缺点,方便了后续高速数据流处理。3.提出并实现了一种基于AD8331的可控增益运算放大电路设计方案,满足了低噪声、宽频带、高增益等系统设计需求。通过带通滤波器设计,有效地抑制带外噪声,提高系统信噪比。4.在低功耗设计方面,采用升压型DC-DC加LDO相结合的电源供应方案,既满足了较高的转换效率,又提高了电源的稳定性;充分运用ARM系统的电源管理功能,实现系统电源的整体可控性;通过对FPGA的低功耗设计,降低静态/动态电流消耗;选用小体积、低功耗的LCD,并运用PWM背光功能来实现亮度调节等。5.在小型化设计方面,尽量采用表贴片封装的高集成度处理芯片,有效减少布局面积;同时,外置接口采用小型化设计,调试接口采用便携式接插件代替等。目前,该硬件平台初版已设计成功,并进行了相关功能、性能测试,初步达到系统设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-16
  1.1 论文的研究背景及现状  13-14
  1.2 本课题研究的意义  14
  1.3 论文的研究内容和安排  14-16
第二章超声波探伤技术  16-22
  2.1 超声波的基本概念  16
  2.2 超声波的分类  16-17
  2.3 超声回波的数学模型  17
  2.4 超声波探伤的基本原理  17-18
  2.5 超声波探伤系统的基本组成  18-22
    2.5.1 超声波探伤仪  18-20
    2.5.2 超声波探头  20-21
    2.5.3 测量试块  21-22
第三章手持式超声波探伤系统的总体架构  22-31
  3.1 手持式超声波探伤系统的基本工作原理  22
  3.2 系统整体指标需求  22-23
  3.3 系统总体设计要求与架构  23-25
    3.3.1 系统总体设计要求  23
    3.3.2 系统硬件平台架构  23-24
    3.3.3 系统软件平台架构  24-25
  3.4 关键性能指标分析  25-26
  3.5 系统关键技术分析  26-31
    3.5.1 非均匀实时抽取技术  26-27
    3.5.2 正负延迟控制技术  27-28
    3.5.3 基于硬件的实时闸门报警技术  28-30
    3.5.4 小型化设计技术  30
    3.5.5 低功耗设计技术  30-31
第四章手持式超声探伤系统的硬件平台设计  31-54
  4.1 模拟信号处理模块  31-38
    4.1.1 探头触发电路  31-32
    4.1.2 单端变差分耦合电路  32
    4.1.3 限幅网络  32-33
    4.1.4 可变增益放大/衰减电路  33-36
    4.1.5 DAC 增益电压控制电路  36-37
    4.1.6 带通滤波器  37-38
  4.2 高速 ADC 采样模块  38
  4.3 FPGA 预处理模块  38-40
    4.3.1 FPGA 的基本结构  38-39
    4.3.2 FPGA 加载配置电路  39-40
  4.4 ARM 系统模块  40-47
    4.4.1 ARM 处理器简介  40-41
    4.4.2 ARM 系统硬件平台设计  41-42
    4.4.3 ARM 系统设计分析  42-45
    4.4.4 触摸屏原理与驱动电路设计  45-47
  4.5 电源与高压模块  47-50
    4.5.1 开关电源与线性稳压电源  47-48
    4.5.2 电源供应分配  48-49
    4.5.3 高压生成电路  49-50
  4.6 系统低功耗与小型化设计  50-51
    4.6.1 低功耗设计分析  50
    4.6.2 小型化设计分析  50-51
  4.7 手持式超声波探伤系统PCB 设计  51-54
    4.7.1 电磁兼容技术  51
    4.7.2 系统的叠层设计  51-52
    4.7.3 系统PCB 布局与布线  52-54
第五章 FPGA 系统软件设计  54-65
  5.1 FPGA 设计介绍  54-56
    5.1.1 FPGA 设计流程  54-55
    5.1.2 FPGA 设计语言和方法  55
    5.1.3 FPGA 中 IP 核简介  55-56
  5.2 FPGA 基本设计思想  56-60
    5.2.1 模块化设计  56-57
    5.2.2 同步化设计  57-58
    5.2.3 流水线设计  58-59
    5.2.4 低功耗设计  59-60
  5.3 FPGA 软件关键技术分析及实现  60-65
    5.3.1 数字检波技术  60-61
    5.3.2 非均匀抽取技术  61-63
    5.3.3 硬件实时报警技术  63-65
第六章系统调试与性能分析  65-74
  6.1 系统硬件功能的调试  65-71
    6.1.1 电源供应模块调试  66
    6.1.2 FPGA 系统模块调试  66-67
    6.1.3 模拟电路模块调试  67-68
    6.1.4 高速ADC 采样模块调试  68-69
    6.1.5 ARM 系统调试  69-71
  6.2 超声波探伤系统性能测试  71-74
    6.2.1 系统增益测试  71
    6.2.2 动态范围测试  71-72
    6.2.3 电噪声电平测试  72-74
第七章结束语  74-76
  7.1 本文的工作总结  74-75
  7.2 研究工作展望  75-76
参考文献  76-79
致谢  79-80
攻读硕士学位期间发表的主要学术论文  80

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