基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測系統

劉麗輝，謝瑞芳，陳棣湘，田武剛，周衛紅，翁飛兵

（國防科學技術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

劉麗輝，謝瑞芳，陳棣湘，田武剛，周衛紅，翁飛兵

（國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073）

摘要：針對飛機發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，設計一套基于ARM和FPGA的雙核電磁無損檢測系統。該系統采用FPGA結合A/D采樣芯片完成64通道數據采集，并以基于android系統的ARM實現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據采集并對其進行預處理，經UART接口送給ARM后，再由ARM完成信號特征提取和缺陷檢測，并實現三維實時成像。測試結果表明：該系統對微裂紋的長度檢測誤差＜0.2mm，成像速率達10幀/s，滿足工業應用需求。

關鍵詞：無損檢測；雙核；多路數據采集；數據融合

0　引言

飛機發動機葉片是戰機和民用飛機的關鍵部件，發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象時有發生[1-2]。根據航空維修工廠的分析，發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，對發動機渦輪葉片是否存在缺陷進行常態化檢測和評估具有重要意義。

電磁檢測廣泛應用于航空航天、冶金、機械、電力、化工、核能等領域[5-6]。已有的電磁無損檢測系統以DSP和MCU結合的居多。DSP處理數據是單線程，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，并且處理信號及運算性能較差[7-8]。相比較而言，采用FPGA+ARM的雙核架構能克服傳統DSP+MCU檢測系統的不足。FPGA功能強大，通過并行處理可以實現比DSP更高的性能，來實現對64路信號的處理；ARM具有很高的主頻及內置信號處理單元，這就確保了整個系統檢測缺陷的實時性和三維成像質量。

基于上述原則，本文采用FPGA+ARM的雙核體系架構來研發一種雙核電磁無損檢測系統。

1　系統概述

1.1系統組成

本設計主要包括平面陣列式電磁傳感器、前置放大電路和預處理電路、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處理以ALTERA EP3310 FPGA為核心，后續信號處理和用戶界面以Exynos 4412 ARM處理器微核心。系統基本框圖如圖1所示。

1.2系統設計思想

設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。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，并將檢測結果實時傳送給用戶交互界面，這種采用FPGA和ARM相結合的雙核技術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系統來實現人機交互功能。Android是一個開源的操作系統，內置的2D/3D圖形庫接口能很好地解決圖形顯示方面的挑戰。

2　系統硬件設計

系統硬件包括兩部分：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。在微損傷檢測系統中，信號調理電路設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部噪聲低、抗干擾能力強、輸入阻抗高、穩定性高和線性增益好等優點，以滿足對平面陣列式電磁傳感器信號放大的要求。經放大和預處理后的信號送給A/D采樣芯片，將傳感器輸出的模擬電信號轉換為數字信號，通過SPI通信方式將數字信號發送給FPGA。連接示意圖如圖2所示。

圖1　微損傷檢測系統組成框圖

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，并簡化了系統中數據存儲部分的設計。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，負責系統校準參數、缺陷電磁檢測信號以及Android系統運行過程中的日志信號等加以保存。RAM采用雙口DDR3作為內存單元,這大大提高了系統的數據存儲和運行速度，能很好滿足系統對實時性的要求。連接示意圖如圖3所示。

3　系統軟件設計

系統軟件設計包括兩部分：1）FPGA中的軟件設計；2）控制顯示部分中ARM的軟件設計。

圖3　ARM核心控制電路

3.1FPGA軟件設計

FPGA主要功能是對A/D采集進來的數據進行正交鎖定放大，得到幅值和相位信息，正交數字鎖定放大器進行的數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實現數字鎖相放大的原理如圖4所示。

圖4　FPGA實現數字鎖相放大原理

3.2ARM軟件設計

ARM軟件主要包括校準算法、搜索算法及數據融合算法。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移阻抗的對應關系（測量網格），再根據測量到的傳感器轉移阻抗從測量網格中查找出材料的電導率；數據融合是綜合利用陣列傳感器各通道的檢測數據尋找缺陷并判定其大小。

校準算法采用的是基于復數的最小二乘法，即通過傳感器獲得一組觀測數據，并且在相同條件下計算一組理論數據，將兩組數據代入最小二乘解的方程，即可得到校準參數。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電壓放大系數等引起的比例變化因素，為復數；

Zp——激勵繞組和感應繞組的雜散耦合引入的寄生阻抗，為復數；

Zm——實測的轉移阻抗，為復數；

Zcorrected——校準后的轉移阻抗。

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。

搜索算法是根據提取到的平面電磁傳感器的轉移阻抗，在測量網格中進行搜索，確定其所在的目標網格的位置，進而通過插值確定材料的電導率。缺陷檢測根據傳感器各通道轉移阻抗的變化，通過數據融合算法確定缺陷的尺寸。其軟件流程圖如圖5所示。

圖5　系統軟件流程圖

4　測試分析

由于發動機渦輪葉片屬于導電金屬材料[7]，為測試所設計的無損檢測系統的工作性能，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，采集檢測信號的數據用以獲取缺陷的長度，并對缺陷信息進行三維成像。檢測系統對試件缺陷成效的效果圖如圖6所示，系統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　缺陷量化數據表

圖6中上半部分凸起來的部分表示缺陷，可以看到，系統能對細微缺陷以非常直觀的三維效果圖呈現給用戶，并且4個缺陷全部被正確地識別出來，與預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，利用本文設計的電磁無損檢測系統得到的采集數據準確、可靠。

由于系統完成64通道數據采集與處理的時間約需60ms，實現三維成像所需的時間約為40ms，合計約100 ms，因此檢測系統對缺陷的實時成像速度約為10幀/s。

5　結束語

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，FPGA負責控制數據采集系統并對采樣數據進行預處理，ARM負責傳感器校準和缺陷的定量檢測，并實現檢測結果可視化。該檢測系統具有精度高、便攜式、交互性好、穩定性和一致性高等特點，檢測到的缺陷誤差＜0.2mm。雙核技術的采用不但能夠減輕單一處理器的負擔而且使系統運行效率得到極大加強，運行的實時性和穩定性得到保證；同時，由于ARM處理器和android系統的引入使得檢測系統更智能化和人性化，具有很好的應用前景。

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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，FPGA 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