基于ARM和FPGA的双核电磁无损检测系统

刘丽辉，谢瑞芳，陈棣湘，田武刚，周卫红，翁飞兵

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073）



基于ARM和FPGA的双核电磁无损检测系统

刘丽辉，谢瑞芳，陈棣湘，田武刚，周卫红，翁飞兵

（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073）

摘要：针对飞机发动机涡轮叶片缺陷检测难度大、效率低、严重制约航空装备保障的问题，设计一套基于ARM和FPGA的双核电磁无损检测系统。该系统采用FPGA结合A/D采样芯片完成64通道数据采集，并以基于android系统的ARM实现对各功能单元的控制。FPGA控制A/D采样芯片完成传感器阵列的高速数据采集并对其进行预处理，经UART接口送给ARM后，再由ARM完成信号特征提取和缺陷检测，并实现三维实时成像。测试结果表明：该系统对微裂纹的长度检测误差＜0.2mm，成像速率达10帧/s，满足工业应用需求。

关键词：无损检测；双核；多路数据采集；数据融合

0　引言

飞机发动机叶片是战机和民用飞机的关键部件，发动机叶片由于长期工作在高温、高压、高速的条件下，疲劳裂纹造成突然断裂而失效的现象时有发生[1-2]。根据航空维修工厂的分析，发动机涡轮叶片折断是航空维修过程中遇到的典型故障，严重威胁飞机的飞行安全[3-4]，因此，对发动机涡轮叶片是否存在缺陷进行常态化检测和评估具有重要意义。

电磁检测广泛应用于航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域[5-6]。已有的电磁无损检测系统以DSP和MCU结合的居多。DSP处理数据是单线程，并且前后级模块越多，处理速度越慢，难以同时处理64路检测信号；传统的MCU性能较弱，很难流畅地运行可视化界面较好的操作系统，并且处理信号及运算性能较差[7-8]。相比较而言，采用FPGA+ARM的双核架构能克服传统DSP+MCU检测系统的不足。FPGA功能强大，通过并行处理可以实现比DSP更高的性能，来实现对64路信号的处理；ARM具有很高的主频及内置信号处理单元，这就确保了整个系统检测缺陷的实时性和三维成像质量。

基于上述原则，本文采用FPGA+ARM的双核体系架构来研发一种双核电磁无损检测系统。

1　系统概述

1.1系统组成

本设计主要包括平面阵列式电磁传感器、前置放大电路和预处理电路、FPGA、ARM处理器、UART通信单元、非易失存储单元等部分，其中平面阵列式电磁传感器的信号采集及预处理以ALTERA EP3310 FPGA为核心，后续信号处理和用户界面以Exynos 4412 ARM处理器微核心。系统基本框图如图1所示。

1.2系统设计思想

设计主要是从定量检测、运算速度和人机交互智能化3个角度出发。在定量检测上，采用64通道的阵列传感器，每个阵列单元具有很小的尺寸，并配合插值算法，即可实现微缺陷的定量检测。为了提高运算速度，采用高速的FPGA来对8路A/D配合模拟开关采集到的64路阵列信号进行处理，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四核处理器[9]，完成信号特征提取与缺陷的定量检测，并将检测结果实时传送给用户交互界面，这种采用FPGA和ARM相结合的双核技术使运算速率得到极大提高，实时交互性较好。在人机交互上，采用Android系统来实现人机交互功能。Android是一个开源的操作系统，内置的2D/3D图形库接口能很好地解决图形显示方面的挑战。

2　系统硬件设计

系统硬件包括两部分：1）以FPGA为核心的多路信号采集和处理部分；2）以ARM处理器为核心的控制和显示部分。

2.1信号采集与处理电路

以FPGA为核心的电路主要完成信号放大、采集和处理。在微损伤检测系统中，信号调理电路设计是一个重点也是难点。由于平面阵列式电磁传感器输出的信号无论是幅度还是变化率都很小，只有微伏/毫伏级[10]。为了把幅值非常小的信号放大到合适的电平，以利于后面的滤波等处理，必须对传感器的输出信号进行前置放大。该放大电路必需具有内部噪声低、抗干扰能力强、输入阻抗高、稳定性高和线性增益好等优点，以满足对平面阵列式电磁传感器信号放大的要求。经放大和预处理后的信号送给A/D采样芯片，将传感器输出的模拟电信号转换为数字信号，通过SPI通信方式将数字信号发送给FPGA。连接示意图如图2所示。

图1　微损伤检测系统组成框图

2.2ARM核心控制电路

ARM芯片作为控制和显示电路的主控制器，拥有丰富的外围接口，其自带的RS-232接口以及Flash读写控制器，为控制显示电路与采集处理电路之间的通信提供了便利，并简化了系统中数据存储部分的设计。作为控制显示电路的存储单元，EMMC作为控制和显示电路的存储单元，负责系统校准参数、缺陷电磁检测信号以及Android系统运行过程中的日志信号等加以保存。RAM采用双口DDR3作为内存单元,这大大提高了系统的数据存储和运行速度，能很好满足系统对实时性的要求。连接示意图如图3所示。

3　系统软件设计

系统软件设计包括两部分：1）FPGA中的软件设计；2）控制显示部分中ARM的软件设计。

图3　ARM核心控制电路

3.1FPGA软件设计

FPGA主要功能是对A/D采集进来的数据进行正交锁定放大，得到幅值和相位信息，正交数字锁定放大器进行的数字相敏检波运算需要和输入信号同频的两路正交信号[11-12]。用FPGA实现数字锁相放大的原理如图4所示。

图4　FPGA实现数字锁相放大原理

3.2ARM软件设计

ARM软件主要包括校准算法、搜索算法及数据融合算法。校准是对传感器的非理想特性和检测通道的非一致性进行补偿；搜索是先通过仿真分析得到的材料特性与传感器转移阻抗的对应关系（测量网格），再根据测量到的传感器转移阻抗从测量网格中查找出材料的电导率；数据融合是综合利用阵列传感器各通道的检测数据寻找缺陷并判定其大小。

校准算法采用的是基于复数的最小二乘法，即通过传感器获得一组观测数据，并且在相同条件下计算一组理论数据，将两组数据代入最小二乘解的方程，即可得到校准参数。传感器的校准模型[10]为

式中：k——描述由等效电容、负载阻抗、激励电流频率和处理电路感应电压放大系数等引起的比例变化因素，为复数；

Zp——激励绕组和感应绕组的杂散耦合引入的寄生阻抗，为复数；

Zm——实测的转移阻抗，为复数；

Zcorrected——校准后的转移阻抗。

传感器校准的目的就是计算式（1）中的两个未知参量k和Zp。

搜索算法是根据提取到的平面电磁传感器的转移阻抗，在测量网格中进行搜索，确定其所在的目标网格的位置，进而通过插值确定材料的电导率。缺陷检测根据传感器各通道转移阻抗的变化，通过数据融合算法确定缺陷的尺寸。其软件流程图如图5所示。

图5　系统软件流程图

4　测试分析

由于发动机涡轮叶片属于导电金属材料[7]，为测试所设计的无损检测系统的工作性能，将其用于铝合金材料的标准试件测试实验。在试验中，用无损检测系统扫描标准试件上事先加工的0.5mm宽度、不同长度的裂纹，采集检测信号的数据用以获取缺陷的长度，并对缺陷信息进行三维成像。检测系统对试件缺陷成效的效果图如图6所示，系统对试件缺陷长度的量化值如表1所示。

图6　试件缺陷三维成像效果图

表1　缺陷量化数据表

图6中上半部分凸起来的部分表示缺陷，可以看到，系统能对细微缺陷以非常直观的三维效果图呈现给用户，并且4个缺陷全部被正确地识别出来，与预先给出的人工缺陷吻合。

同时，从表1可知，由采集信号得到的1～4号缺陷的长度与实际长度相差最大为0.18 mm，误差＜0.2mm。这表明，利用本文设计的电磁无损检测系统得到的采集数据准确、可靠。

由于系统完成64通道数据采集与处理的时间约需60ms，实现三维成像所需的时间约为40ms，合计约100 ms，因此检测系统对缺陷的实时成像速度约为10帧/s。

5　结束语

本文提出一种基于FPGA和ARM处理器的双核电磁无损检测系统，FPGA负责控制数据采集系统并对采样数据进行预处理，ARM负责传感器校准和缺陷的定量检测，并实现检测结果可视化。该检测系统具有精度高、便携式、交互性好、稳定性和一致性高等特点，检测到的缺陷误差＜0.2mm。双核技术的采用不但能够减轻单一处理器的负担而且使系统运行效率得到极大加强，运行的实时性和稳定性得到保证；同时，由于ARM处理器和android系统的引入使得检测系统更智能化和人性化，具有很好的应用前景。

参考文献

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[10]贺红娟.基于平面电磁传感器阵列的缺陷定量检测方法研究[D].长沙：国防科技大学，2012.

[11]刘国福，杨俊.微弱信号检测技术[M].北京：机械工业出版社，2014：120-135.

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（编辑：李刚）

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

作者简介：刘丽辉（1987-），男，江西吉安市人，硕士研究生，专业方向为电磁无损检测。

基金项目：国家自然科学基金（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

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0065-04