基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測系統(tǒng)

劉麗輝，謝瑞芳，陳棣湘，田武剛，周衛(wèi)紅，翁飛兵

（國防科學技術(shù)大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073）

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基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測系統(tǒng)

劉麗輝，謝瑞芳，陳棣湘，田武剛，周衛(wèi)紅，翁飛兵

（國防科學技術(shù)大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073）

摘要：針對飛機發(fā)動機渦輪葉片缺陷檢測難度大、效率低、嚴重制約航空裝備保障的問題，設(shè)計一套基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測系統(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實現(xiàn)對各功能單元的控制。FPGA控制A/D采樣芯片完成傳感器陣列的高速數(shù)據(jù)采集并對其進行預(yù)處理，經(jīng)UART接口送給ARM后，再由ARM完成信號特征提取和缺陷檢測，并實現(xiàn)三維實時成像。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)對微裂紋的長度檢測誤差＜0.2mm，成像速率達10幀/s，滿足工業(yè)應(yīng)用需求。

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

0　引言

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

電磁檢測廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、機械、電力、化工、核能等領(lǐng)域[5-6]。已有的電磁無損檢測系統(tǒng)以DSP和MCU結(jié)合的居多。DSP處理數(shù)據(jù)是單線程，并且前后級模塊越多，處理速度越慢，難以同時處理64路檢測信號；傳統(tǒng)的MCU性能較弱，很難流暢地運行可視化界面較好的操作系統(tǒng)，并且處理信號及運算性能較差[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檢測系統(tǒng)的不足。FPGA功能強大，通過并行處理可以實現(xiàn)比DSP更高的性能，來實現(xiàn)對64路信號的處理；ARM具有很高的主頻及內(nèi)置信號處理單元，這就確保了整個系統(tǒng)檢測缺陷的實時性和三維成像質(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系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)組成

本設(shè)計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、非易失存儲單元等部分，其中平面陣列式電磁傳感器的信號采集及預(yù)處理以ALTERA EP3310 FPGA為核心，后續(xù)信號處理和用戶界面以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)計思想

設(shè)計主要是從定量檢測、運算速度和人機交互智能化3個角度出發(fā)。在定量檢測上，采用64通道的陣列傳感器，每個陣列單元具有很小的尺寸，并配合插值算法，即可實現(xiàn)微缺陷的定量檢測。為了提高運算速度，采用高速的FPGA來對8路A/D配合模擬開關(guān)采集到的64路陣列信號進行處理，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]，完成信號特征提取與缺陷的定量檢測，并將檢測結(jié)果實時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)使運算速率得到極大提高，實時交互性較好。在人機交互上，采用Android系統(tǒng)來實現(xiàn)人機交互功能。Android是一個開源的操作系統(tǒng)，內(nèi)置的2D/3D圖形庫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

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

2.1信號采集與處理電路

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

圖1　微損傷檢測系統(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，并簡化了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲部分的設(shè)計。作為控制顯示電路的存儲單元，EMMC作為控制和顯示電路的存儲單元，負責系統(tǒng)校準參數(shù)、缺陷電磁檢測信號以及Android系統(tǒng)運行過程中的日志信號等加以保存。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)存儲和運行速度，能很好滿足系統(tǒng)對實時性的要求。連接示意圖如圖3所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

圖3　ARM核心控制電路

3.1FPGA軟件設(shè)計

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

圖4　FPGA實現(xiàn)數(shù)字鎖相放大原理

3.2ARM軟件設(shè)計

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

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

式中：k——描述由等效電容、負載阻抗、激勵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，為復數(shù)；

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

Zm——實測的轉(zhuǎn)移阻抗，為復數(shù)；

Zcorrected——校準后的轉(zhuǎn)移阻抗。

傳感器校準的目的就是計算式（1）中的兩個未知參量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，在測量網(wǎng)格中進行搜索，確定其所在的目標網(wǎng)格的位置，進而通過插值確定材料的電導率。缺陷檢測根據(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　測試分析

由于發(fā)動機渦輪葉片屬于導電金屬材料[7]，為測試所設(shè)計的無損檢測系統(tǒng)的工作性能，將其用于鋁合金材料的標準試件測試實驗。在試驗中，用無損檢測系統(tǒng)掃描標準試件上事先加工的0.5mm寬度、不同長度的裂紋，采集檢測信號的數(shù)據(jù)用以獲取缺陷的長度，并對缺陷信息進行三維成像。檢測系統(tǒng)對試件缺陷成效的效果圖如圖6所示，系統(tǒng)對試件缺陷長度的量化值如表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)能對細微缺陷以非常直觀的三維效果圖呈現(xiàn)給用戶，并且4個缺陷全部被正確地識別出來，與預(yù)先給出的人工缺陷吻合。

同時，從表1可知，由采集信號得到的1～4號缺陷的長度與實際長度相差最大為0.18 mm，誤差＜0.2mm。這表明，利用本文設(shè)計的電磁無損檢測系統(tǒng)得到的采集數(shù)據(jù)準確、可靠。

由于系統(tǒng)完成64通道數(shù)據(jù)采集與處理的時間約需60ms，實現(xiàn)三維成像所需的時間約為40ms，合計約100 ms，因此檢測系統(tǒng)對缺陷的實時成像速度約為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系統(tǒng)，F(xiàn)PGA負責控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并對采樣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，ARM負責傳感器校準和缺陷的定量檢測，并實現(xiàn)檢測結(jié)果可視化。該檢測系統(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，檢測到的缺陷誤差＜0.2mm。雙核技術(shù)的采用不但能夠減輕單一處理器的負擔而且使系統(tǒng)運行效率得到極大加強，運行的實時性和穩(wěn)定性得到保證；同時，由于ARM處理器和android系統(tǒng)的引入使得檢測系統(tǒng)更智能化和人性化，具有很好的應(yīng)用前景。

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（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

作者簡介：劉麗輝（1987-），男，江西吉安市人，碩士研究生，專業(yè)方向為電磁無損檢測。

基金項目：國家自然科學基金（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

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0065-04