基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)

劉麗輝，謝瑞芳，陳棣湘，田武剛，周衛(wèi)紅，翁飛兵

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073）

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基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)

劉麗輝，謝瑞芳，陳棣湘，田武剛，周衛(wèi)紅，翁飛兵

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073）

摘要：針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片缺陷檢測(cè)難度大、效率低、嚴(yán)重制約航空裝備保障的問題，設(shè)計(jì)一套基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA結(jié)合A/D采樣芯片完成64通道數(shù)據(jù)采集，并以基于android系統(tǒng)的ARM實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能單元的控制。FPGA控制A/D采樣芯片完成傳感器陣列的高速數(shù)據(jù)采集并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)UART接口送給ARM后，再由ARM完成信號(hào)特征提取和缺陷檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)成像。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)對(duì)微裂紋的長(zhǎng)度檢測(cè)誤差＜0.2mm，成像速率達(dá)10幀/s，滿足工業(yè)應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；雙核；多路數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)融合

0　引言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是戰(zhàn)機(jī)和民用飛機(jī)的關(guān)鍵部件，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片由于長(zhǎng)期工作在高溫、高壓、高速的條件下，疲勞裂紋造成突然斷裂而失效的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-2]。根據(jù)航空維修工廠的分析，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片折斷是航空維修過程中遇到的典型故障，嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全[3-4]，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是否存在缺陷進(jìn)行常態(tài)化檢測(cè)和評(píng)估具有重要意義。

電磁檢測(cè)廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、機(jī)械、電力、化工、核能等領(lǐng)域[5-6]。已有的電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)以DSP和MCU結(jié)合的居多。DSP處理數(shù)據(jù)是單線程，并且前后級(jí)模塊越多，處理速度越慢，難以同時(shí)處理64路檢測(cè)信號(hào)；傳統(tǒng)的MCU性能較弱，很難流暢地運(yùn)行可視化界面較好的操作系統(tǒng)，并且處理信號(hào)及運(yùn)算性能較差[7-8]。相比較而言，采用FPGA+ARM的雙核架構(gòu)能克服傳統(tǒng)DSP+MCU檢測(cè)系統(tǒng)的不足。FPGA功能強(qiáng)大，通過并行處理可以實(shí)現(xiàn)比DSP更高的性能，來實(shí)現(xiàn)對(duì)64路信號(hào)的處理；ARM具有很高的主頻及內(nèi)置信號(hào)處理單元，這就確保了整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)缺陷的實(shí)時(shí)性和三維成像質(zhì)量。

基于上述原則，本文采用FPGA+ARM的雙核體系架構(gòu)來研發(fā)一種雙核電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)主要包括平面陣列式電磁傳感器、前置放大電路和預(yù)處理電路、FPGA、ARM處理器、UART通信單元、非易失存儲(chǔ)單元等部分，其中平面陣列式電磁傳感器的信號(hào)采集及預(yù)處理以ALTERA EP3310 FPGA為核心，后續(xù)信號(hào)處理和用戶界面以Exynos 4412 ARM處理器微核心。系統(tǒng)基本框圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

設(shè)計(jì)主要是從定量檢測(cè)、運(yùn)算速度和人機(jī)交互智能化3個(gè)角度出發(fā)。在定量檢測(cè)上，采用64通道的陣列傳感器，每個(gè)陣列單元具有很小的尺寸，并配合插值算法，即可實(shí)現(xiàn)微缺陷的定量檢測(cè)。為了提高運(yùn)算速度，采用高速的FPGA來對(duì)8路A/D配合模擬開關(guān)采集到的64路陣列信號(hào)進(jìn)行處理，得到后端需要的幅值和相位信息，然后采用三星公司基于Cortex A9的Exynos 4412 ARM四核處理器[9]，完成信號(hào)特征提取與缺陷的定量檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳送給用戶交互界面，這種采用FPGA和ARM相結(jié)合的雙核技術(shù)使運(yùn)算速率得到極大提高，實(shí)時(shí)交互性較好。在人機(jī)交互上，采用Android系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。Android是一個(gè)開源的操作系統(tǒng)，內(nèi)置的2D/3D圖形庫(kù)接口能很好地解決圖形顯示方面的挑戰(zhàn)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括兩部分：1）以FPGA為核心的多路信號(hào)采集和處理部分；2）以ARM處理器為核心的控制和顯示部分。

2.1信號(hào)采集與處理電路

以FPGA為核心的電路主要完成信號(hào)放大、采集和處理。在微損傷檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。由于平面陣列式電磁傳感器輸出的信號(hào)無論是幅度還是變化率都很小，只有微伏/毫伏級(jí)[10]。為了把幅值非常小的信號(hào)放大到合適的電平，以利于后面的濾波等處理，必須對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行前置放大。該放大電路必需具有內(nèi)部噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入阻抗高、穩(wěn)定性高和線性增益好等優(yōu)點(diǎn)，以滿足對(duì)平面陣列式電磁傳感器信號(hào)放大的要求。經(jīng)放大和預(yù)處理后的信號(hào)送給A/D采樣芯片，將傳感器輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過SPI通信方式將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給FPGA。連接示意圖如圖2所示。

圖1　微損傷檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

2.2ARM核心控制電路

ARM芯片作為控制和顯示電路的主控制器，擁有豐富的外圍接口，其自帶的RS-232接口以及Flash讀寫控制器，為控制顯示電路與采集處理電路之間的通信提供了便利，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的設(shè)計(jì)。作為控制顯示電路的存儲(chǔ)單元，EMMC作為控制和顯示電路的存儲(chǔ)單元，負(fù)責(zé)系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)、缺陷電磁檢測(cè)信號(hào)以及Android系統(tǒng)運(yùn)行過程中的日志信號(hào)等加以保存。RAM采用雙口DDR3作為內(nèi)存單元,這大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)行速度，能很好滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。連接示意圖如圖3所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：1）FPGA中的軟件設(shè)計(jì)；2）控制顯示部分中ARM的軟件設(shè)計(jì)。

圖3　ARM核心控制電路

3.1FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA主要功能是對(duì)A/D采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交鎖定放大，得到幅值和相位信息，正交數(shù)字鎖定放大器進(jìn)行的數(shù)字相敏檢波運(yùn)算需要和輸入信號(hào)同頻的兩路正交信號(hào)[11-12]。用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大的原理如圖4所示。

圖4　FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大原理

3.2ARM軟件設(shè)計(jì)

ARM軟件主要包括校準(zhǔn)算法、搜索算法及數(shù)據(jù)融合算法。校準(zhǔn)是對(duì)傳感器的非理想特性和檢測(cè)通道的非一致性進(jìn)行補(bǔ)償；搜索是先通過仿真分析得到的材料特性與傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的對(duì)應(yīng)關(guān)系（測(cè)量網(wǎng)格），再根據(jù)測(cè)量到的傳感器轉(zhuǎn)移阻抗從測(cè)量網(wǎng)格中查找出材料的電導(dǎo)率；數(shù)據(jù)融合是綜合利用陣列傳感器各通道的檢測(cè)數(shù)據(jù)尋找缺陷并判定其大小。

校準(zhǔn)算法采用的是基于復(fù)數(shù)的最小二乘法，即通過傳感器獲得一組觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且在相同條件下計(jì)算一組理論數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)代入最小二乘解的方程，即可得到校準(zhǔn)參數(shù)。傳感器的校準(zhǔn)模型[10]為

式中：k——描述由等效電容、負(fù)載阻抗、激勵(lì)電流頻率和處理電路感應(yīng)電壓放大系數(shù)等引起的比例變化因素，為復(fù)數(shù)；

Zp——激勵(lì)繞組和感應(yīng)繞組的雜散耦合引入的寄生阻抗，為復(fù)數(shù)；

Zm——實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)移阻抗，為復(fù)數(shù)；

Zcorrected——校準(zhǔn)后的轉(zhuǎn)移阻抗。

傳感器校準(zhǔn)的目的就是計(jì)算式（1）中的兩個(gè)未知參量k和Zp。

搜索算法是根據(jù)提取到的平面電磁傳感器的轉(zhuǎn)移阻抗，在測(cè)量網(wǎng)格中進(jìn)行搜索，確定其所在的目標(biāo)網(wǎng)格的位置，進(jìn)而通過插值確定材料的電導(dǎo)率。缺陷檢測(cè)根據(jù)傳感器各通道轉(zhuǎn)移阻抗的變化，通過數(shù)據(jù)融合算法確定缺陷的尺寸。其軟件流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件流程圖

4　測(cè)試分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片屬于導(dǎo)電金屬材料[7]，為測(cè)試所設(shè)計(jì)的無損檢測(cè)系統(tǒng)的工作性能，將其用于鋁合金材料的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)中，用無損檢測(cè)系統(tǒng)掃描標(biāo)準(zhǔn)試件上事先加工的0.5mm寬度、不同長(zhǎng)度的裂紋，采集檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)用以獲取缺陷的長(zhǎng)度，并對(duì)缺陷信息進(jìn)行三維成像。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試件缺陷成效的效果圖如圖6所示，系統(tǒng)對(duì)試件缺陷長(zhǎng)度的量化值如表1所示。

圖6　試件缺陷三維成像效果圖

表1　缺陷量化數(shù)據(jù)表

圖6中上半部分凸起來的部分表示缺陷，可以看到，系統(tǒng)能對(duì)細(xì)微缺陷以非常直觀的三維效果圖呈現(xiàn)給用戶，并且4個(gè)缺陷全部被正確地識(shí)別出來，與預(yù)先給出的人工缺陷吻合。

同時(shí)，從表1可知，由采集信號(hào)得到的1～4號(hào)缺陷的長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度相差最大為0.18 mm，誤差＜0.2mm。這表明，利用本文設(shè)計(jì)的電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)得到的采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

由于系統(tǒng)完成64通道數(shù)據(jù)采集與處理的時(shí)間約需60ms，實(shí)現(xiàn)三維成像所需的時(shí)間約為40ms，合計(jì)約100 ms，因此檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)缺陷的實(shí)時(shí)成像速度約為10幀/s。

5　結(jié)束語

本文提出一種基于FPGA和ARM處理器的雙核電磁無損檢測(cè)系統(tǒng)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，ARM負(fù)責(zé)傳感器校準(zhǔn)和缺陷的定量檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果可視化。該檢測(cè)系統(tǒng)具有精度高、便攜式、交互性好、穩(wěn)定性和一致性高等特點(diǎn)，檢測(cè)到的缺陷誤差＜0.2mm。雙核技術(shù)的采用不但能夠減輕單一處理器的負(fù)擔(dān)而且使系統(tǒng)運(yùn)行效率得到極大加強(qiáng)，運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性得到保證；同時(shí)，由于ARM處理器和android系統(tǒng)的引入使得檢測(cè)系統(tǒng)更智能化和人性化，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] GAO C W，MEEKER W Q，Mayton D. Detecting crack s in aircraf t engine fan blades using vibrothermography nondestructive evaluation [J]. Reliability Engineering and System Safety，2014（131）：229-235.

[2] CARDELLI E, FABA A，MARSILI, R，et al. Magnetic nondestructive testing of rotor blade tips [J]. Applied Physics，2015，117（17）：705-710.

[3]馬保全，周正干.航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)非接觸無損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展及發(fā)展前景[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35（7）：1787-1803.

[4]耿榮生，景鵬.蓬勃發(fā)展的我國(guó)無損檢測(cè)技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（22）：1-7.

[5]張?jiān)佨姡瑥堅(jiān)伡t，王航宇.無損檢測(cè)技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用[J].無損檢測(cè)，2011，33（3）：43-46.

[6] BOLLER C，ALTPETER I，DOBMANN G. Electromagne tism as a means for understanding Materials mechanics phenomena in magnetic Materials[J]. Mat.-wiss. u. Werkstofftech，2011，42（4）：269-278.

[7] JUNJ W，CHOI MK，LEEJ Y. Nondestructive Evaluation of Austenitic Stainless Steel Using CIC-MFL and LIHaS [J]. IEEE Transactions on Magnetics，2011，47 （10）：3959-3962.

[8]張淑梅.基于ARM+FPGA的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用天地，2014，33（11）：62-65.

[9] LEE C K. Exynos 4412 RISC Microprocessor[M]. Gyeonggi -Do，Korea：Samsung Electronics Co.，Ltd.，2012：1-4.

[10]賀紅娟.基于平面電磁傳感器陣列的缺陷定量檢測(cè)方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2012.

[11]劉國(guó)福，楊俊.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：120-135.

[12]聶婭琴，許雪梅，李奔榮，等.基于動(dòng)態(tài)采樣的鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（9）：1243-1247.

（編輯：李剛）

Double-core electromagnetic nondestructive testing system based on ARM and FPGA

LIU Lihui，XIE Ruifang，CHEN Dixiang，TIAN Wugang，ZHOU Weihong，WENG Feibing
（College of Mechatronics and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Abstract:A double-core electromagnetic nondestructive testing system was designed to check the turbine blades of aircraft engines in an easier and more efficient way. Specifically，F(xiàn)PGA with an A/D sampling chip was used to complete 64-channel data acquisition and ARM with an android operating system was chosen to control each function unit. First，the chip was driven by the FPGA to acquire data at a high speed and then have them pre-treated. Second，after the data was further sent to the ARM through an UART interface，signal features were extracted and defects inspected with the ARM. Eventually，a 3D real-time image was formed. The Test results have shown that，the system，with an error rate less than 0.2 mm and an imaging rate as fast as 10 frames/s when used to measure the length of micro cracks，can meet the application requirements in some industries.

Keywords:nondestructive testing；double core；multi-channel data acquisition；data fusion

作者簡(jiǎn)介：劉麗輝（1987-），男，江西吉安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61171134）

收稿日期：2015-06-10；收到修改稿日期：2015-08-08

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.015

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）01-0065-04