超聲相控陣檢測成像系統(tǒng)軟件設(shè)計

，， ， ， ，，楊艷

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210036；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211100)

超聲相控陣技術(shù)的原理與概念源自相控陣雷達，該技術(shù)的核心在于若干壓電晶片組合而成的相控陣陣列探頭[1]。其通過控制探頭中每個陣元被激發(fā)的時間，達到超聲波的相控發(fā)射；通過各陣元回波信號的延時疊加，達到相控接收。由此，實現(xiàn)對超聲波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，可完成被檢對象探測區(qū)的范圍掃查及聚焦成像。

超聲相控陣技術(shù)繼承了傳統(tǒng)超聲檢測的長處，具有探測范圍可調(diào)、檢測角度靈活、檢測效率高、檢測效果好、檢測結(jié)果可視等突出優(yōu)點[2]。

近年來，無損檢測領(lǐng)域不斷融合當下熱門技術(shù)，結(jié)合人工智能、信息融合、自適應(yīng)技術(shù)、相關(guān)技術(shù)等新思想，以精準客觀的數(shù)據(jù)代替了人力勞動。在此趨勢下，超聲相控陣檢測成像技術(shù)的相關(guān)性能也得到不斷提升，并穩(wěn)步向智能化、自動化、多功能化等方向前進[3]。

1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣檢測時，為了得到預(yù)期焦點位置與不同入射角的超聲波束，需要通過電子技術(shù)控制陣列換能器采用一定的時間延遲發(fā)射超聲脈沖。按照該延遲規(guī)則產(chǎn)生的超聲波束，具有人為預(yù)設(shè)的確定相位，且所有陣元在被檢元件中產(chǎn)生的聲場相干疊加。根據(jù)實際情況改變延遲時間或激勵序列，可得到不同的入射角度以及焦點位置，以滿足各種檢測的需求[4]。圖1為相控陣發(fā)射原理示意。

圖1 相控陣發(fā)射原理示意

圖2為相控陣接收原理示意，該過程為相控陣發(fā)射的逆過程。

圖2 相控陣接收原理示意

2 軟件設(shè)計

超聲相控陣檢測成像系統(tǒng)的硬件部分基于嵌入式平臺，采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)與ARM(先進精簡指令集計算機處理機)結(jié)合的架構(gòu)。其中，F(xiàn)PGA選用Cyclone VI系列EP4CE15F17C8N，實現(xiàn)系統(tǒng)前端發(fā)射與接收電路的控制，ARM選用三星公司蜂鳥系列的S5PV210，負責(zé)控制整個系統(tǒng)的運行以及與FPGA通信，并下發(fā)配置參數(shù)、接收回傳數(shù)據(jù)、顯示檢測成像結(jié)果等。

系統(tǒng)工作時，由用戶人工設(shè)置一系列檢測參數(shù)，隨后ARM處理器根據(jù)相應(yīng)的聚焦法則，計算激勵每一個探頭陣元所需要的發(fā)射延時，并通過通信總線傳輸給FPGA，由FPGA負責(zé)后續(xù)的脈沖激勵等工作。一輪檢測之后，反射回多路超聲波束，由前端電路對其進行采集接收，并交由FPGA完成一系列數(shù)據(jù)處理，得到各路檢測回波信號，通過通信總線將其傳輸至ARM處理器，進而完成更進一步的處理或成像。

軟件系統(tǒng)的設(shè)計分為驅(qū)動層及應(yīng)用層兩部分，驅(qū)動層為Linux內(nèi)核的重要組成部分，是底層硬件與上層軟件之間的接口；應(yīng)用層作為用戶與系統(tǒng)之間的交互中介，包括人機界面的顯示與回波數(shù)據(jù)的處理、成像等。

2.1 驅(qū)動程序設(shè)計

Linux內(nèi)核源碼中，包含了70%以上的設(shè)備驅(qū)動程序[5]。驅(qū)動程序?qū)⒂布O(shè)備的具體結(jié)構(gòu)進行屏蔽，對其進行了一種抽象，使設(shè)備在系統(tǒng)中以文件的形式存在。虛擬文件系統(tǒng)(VFS)中，淡化了設(shè)備與文件的區(qū)別，將所有的硬件操作看成是對普通文件的操作。

在系統(tǒng)中，硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)內(nèi)核以設(shè)備驅(qū)動程序作為中間接口，操作系統(tǒng)內(nèi)核與用戶應(yīng)用程序以系統(tǒng)調(diào)用作為中間接口，用戶從應(yīng)用程序的角度看硬件設(shè)備僅如同普通文件一般的設(shè)備文件，通過如打開(open)、讀取(read)、寫入(write)或是關(guān)閉(close)等系統(tǒng)調(diào)用，即可操作設(shè)備。

驅(qū)動程序的設(shè)計中，涉及到以下兩個關(guān)鍵問題。

(1) 配置參數(shù)的下發(fā)

系統(tǒng)涉及到兩種方式的掃查，其中：A掃只有一維數(shù)據(jù)，只需要通過配置參數(shù)計算一次延時；而S掃相當于進行多次不同偏轉(zhuǎn)角度的A掃，在各項檢測參數(shù)配置后，對應(yīng)每一次A掃，需要重新計算延遲時間。

設(shè)置S掃驅(qū)動層工作流程(見圖3)，每次進行一個角度的掃查，由軟件計算所需的控制數(shù)據(jù)，下發(fā)給FPGA并啟動一線數(shù)據(jù)的檢測。聲束返回后，通過中斷配合DMA(直接內(nèi)存存取)方式將數(shù)據(jù)進行回傳，結(jié)束后，重復(fù)此過程進行下一個角度的掃查，直至達到檢測參數(shù)的配置。

圖3 S掃驅(qū)動層工作流程

(2) 檢測數(shù)據(jù)回傳

結(jié)合中斷方式，設(shè)計FPGA與ARM通信，編寫Linux下相應(yīng)的中斷程序。系統(tǒng)中有兩種中斷，二者中斷入口的跳轉(zhuǎn)方式不同。對于中斷服務(wù)程序的入口地址，由軟件提供的為非向量中斷，由硬件提供的為向量中斷。文中使用S5PV210處理器，提供向量中斷。

Linux下的設(shè)備驅(qū)動中，中斷設(shè)計的基本流程為設(shè)置中斷、申請中斷、進入中斷服務(wù)程序，并最終在結(jié)束后釋放中斷。

中斷申請函數(shù)的返回值通常有3種情況，成功為0，中斷被占用為EBUSY，而處理函數(shù)指針為空或中斷號無效為INVAL。

相控陣超聲檢測時，經(jīng)過前端處理的多路超聲回波信號被送入FPGA中的M9K存儲器，存儲器接收到所配置深度的數(shù)據(jù)后，向ARM處理器發(fā)出中斷申請，通知其讀取FPGA中存儲的數(shù)據(jù)。ARM處理器響應(yīng)中斷后，通過相應(yīng)的中斷處理程序進行FPGA M9K中數(shù)據(jù)的讀取。為了使處理器能夠盡快響應(yīng)各中斷，以處理更多事件，在中斷處理程序中，優(yōu)先清除S5PV210中的各中斷相關(guān)寄存器的相應(yīng)位。

在中斷后，使用DMA方式進行FPGA與ARM之間的數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)量較多的情況下，快速完成交互，不影響CPU(中央處理器)的工作。S5PV210采用PL330 DMA控制器，提供24通道，支持內(nèi)存與內(nèi)存、外設(shè)與內(nèi)存間的相互通信，使用時需要指定通道號。該控制器基于PrimeCell技術(shù)標準，提供高性能總線接口。

圖4 DMA傳輸?shù)能浖渲昧鞒?/p>

由于FPGA掛載于ARM的SROM Bank5，處于S5PV210處理器的內(nèi)存空間，對于DMA控制器而言，二者之間的數(shù)據(jù)交互屬于內(nèi)存-內(nèi)存模式。在該模式下，可以通過程序主動發(fā)起DMA數(shù)據(jù)傳輸，而無需依賴控制器進行申請。DMA傳輸?shù)能浖渲昧鞒倘鐖D4所示。

在DMA相關(guān)的驅(qū)動程序中，先進行必要的初始化工作，配置相應(yīng)寄存器，包括該傳輸方式下的源地址寄存器、傳輸方向以及目標地址寄存器等[6]。在FPGA完成前端回波數(shù)據(jù)的處理并存儲進M9K后，申請IRQ_DMA0中斷服務(wù)程序，對DMA中斷請求進行響應(yīng)。中斷請求由應(yīng)用程序響應(yīng)，之后啟動DMA，讀取目標地址中的數(shù)據(jù)至源地址。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計

系統(tǒng)的應(yīng)用層采用Qt/Embedded(嵌入式系統(tǒng)的圖形界面開發(fā)工具)進行開發(fā)，其功能設(shè)計主要分為6個模塊：主控部分、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、界面顯示以及參數(shù)設(shè)置等。模塊間的相互關(guān)系如圖5所示。

圖5 模塊間的相互關(guān)系

主控模塊作為應(yīng)用層的核心，對內(nèi)協(xié)調(diào)各模塊工作，對外接收用戶信息，掌控著程序的整體運行；數(shù)據(jù)管理模塊主要進行成像或配置數(shù)據(jù)的存儲；界面顯示為人機交互的部分，內(nèi)含窗口以及各功能部件，通過Qt提供的事件與信號/槽機制和其他模塊進行交互；參數(shù)設(shè)置模塊根據(jù)用戶配置進行發(fā)射延時量的計算；數(shù)據(jù)通信模塊與驅(qū)動層溝通，提供數(shù)據(jù)讀寫接口；數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)對前端回波數(shù)據(jù)進行成像顯示前所需要采取的一系列操作。

應(yīng)用程序設(shè)計的關(guān)鍵在于成像顯示部分，對于檢測系統(tǒng)的S掃成像，涉及以下問題。

(1) 坐標變換

S掃在極坐標系中按角度增量進行掃查，而顯示界面則以直角坐標系繪制圖形，兩者之間需要軟件處理來進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。通過數(shù)字掃描變換(DSC)進行坐標變換，其流程如圖6所示。

成像時，獲取顯示器像素在平面D中的坐標(xD,yD)，將其在平面S中投影并獲得(xS,yS)，對照極坐標系，找出該點在平面P中的位置，通過平面P中的數(shù)據(jù)計算其像素，此數(shù)值即為最終顯示的像素。

設(shè)(m,n)為待顯示像素，該像素在D、S、P平面的坐標分別為(x,y)、(u,v)、(R,θ)，則三者之間的關(guān)系如式(1)所示。其中，Δx，Δy為x軸及y軸在顯示平面中各自方向的數(shù)字量化單位長度。

(1)

圖6 數(shù)字掃描變換流程

(2) 插值處理

對于最終成像的點，坐標變換之后，也許并不在S掃的原始掃描線上，也不在各采樣點所處的深度，從而需要進行插值處理，以避免顯示結(jié)果與實際存在過多偏差。采用雙線性插值的方法得到所顯示點對應(yīng)的像素值，其原理如圖7所示，通過距離該點最近的4個點來進行計算。

圖7 雙線性插值原理示意

設(shè)P為極坐標系中對應(yīng)于顯示平面(xD,yD)的點，Pi,j、Pi,j+1、Pi+1,j、Pi+1,j+1是原始數(shù)據(jù)點中與該點最近的4個坐標點。則P的像素值如式(2)所示

(2)

式中：Δθ為S掃的角度步進；Δθ′為P與Pi,j間的夾角；ΔR為一線掃描中兩相鄰點之間的距離；ΔR′為梯度距離。

將極坐標進行數(shù)字量化處理，則對于該坐標系中的點(R,θ)有

(3)

式中：i′與j′不一定為整數(shù)；I為掃描線數(shù)。

令int()代表取整，并設(shè)i=int(i′)，j=int(j′)，i′=i+di，j′=j+dj，則式(2)可轉(zhuǎn)化為

Pi,j=(1-di)(1-dj)Pi,j+dj·(1-di)Pi,j+1+

di·(1-dj)Pi+1,j+di·djPi+1,j+1

(4)

(3) 色彩映射

數(shù)字圖像有多種色彩顯示方式，其中最簡單的即為二值圖像，以0和1分別表示黑白兩色。該類顯示只有兩種顏色，難以分辨圖像細節(jié)，成像效果較差?；叶葓D像在黑白之間增加了許多亮度級別，以0和255對應(yīng)黑白兩色，并在其中通過254個數(shù)值擴展了漸變的灰度。但此顯示方法的色彩區(qū)分度不高，不適于進行超聲成像。

采用彩色圖像對S掃結(jié)果進行顯示，將回波信號的幅值映射為紅綠藍(RGB)三色分量，以顏色來區(qū)分幅值大小，在相應(yīng)缺陷處得到較為明顯直觀的成像。在Qt中建立顏色表，通過向量容器進行色值的存儲。

設(shè)置256種顏色，以0～255分別表示。幅值代表顏色，其由小至大變化表示顏色的漸變。相應(yīng)色表通過數(shù)組color[256]進行存儲。將插值處理后的像素幅值進行色彩映射，設(shè)像素插值的幅值及最大幅值分別為a和amax，則該像素點所對應(yīng)的顏色值為

(5)

式中：└┘為向下取整。

3 試驗過程

選用鋁制材料的標準試塊IIW-V1(見圖8)進行系統(tǒng)測試，對距離上表面50 mm與60 mm的孔進行成像測試。

對采集到的數(shù)據(jù)進行二維成像。設(shè)置-20°～20°掃查范圍，步進為1°，采集多條A掃數(shù)據(jù)以進行S掃成像。對采集到的回波數(shù)據(jù)進行坐標變換、插值及色彩映射一系列處理，得到如圖9所示成像結(jié)果。對照圖8，S掃呈現(xiàn)了試塊IIW-V1在50 mm與60 mm處的兩個缺陷。

圖8 IIW-V1試塊外觀

圖9 S掃成像結(jié)果

4 結(jié)語

系統(tǒng)基于Linux與Qt/Embedded，采用模塊化思想，結(jié)合Linux的實時性與Qt的豐富資源，設(shè)計了超聲相控陣檢測成像系統(tǒng)的軟件部分，包括驅(qū)動程序與應(yīng)用程序。對系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)運行正常，顯示界面的檢測成像結(jié)果正確。