铁路运输是国民经济的重要组成部分，铁路运输安全至关重要。对货车轮轴定期检测为保证铁路行车安全起到重要作用。超声波探伤具有灵敏度高、穿速力强、声束指向性好、缺陷检出率高和对人体无害等优点，因而成为铁路轮轴检测的主要方法。探头作为发射和接收超声波的装置，其指标的准确度影响缺陷的定位和定量。因此《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》等相关标准规定必须定期对探头进行检测。本文设计了基于ARM处理器和现场可编程门阵列FPGA的超声波探头测试系统。

1 系统硬件结构

本系统核心控制需要实现“A型显示”（A-display，即采用水平基线表示距离或者时间，离开基线的垂直偏转表示幅度的一种数据显示方法），还需要通过各类接口与外围数据进行交互。FPGA具有用户可编程特性，使得用户可以实时、灵活、方便地配置系统内硬件的功能，形成了所调的“软”硬件的全新的系统设计概念，使产品达到小型化、集成化和高可靠性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。ARM上的Linux开放源代码给设计者的开发带来了方便，丰富的外部接口资源为用户进行数据传输提供了便捷。基于这些优点，同时结合系统的实际需求，系统的核心控制选用ARM控制器。

本系统硬件电路的设计采用了ARM+FPGA的结构，利用FPGA的可编程能力实现高速数据处理以及控制逻辑，利用ARM的数据处理能力、控制能力以及丰富的外围接口实现一个高性能的嵌入式系统硬件开发平台。系统硬件的总体设计框图见图1。

探头测试系统的工作原理可描述为：系统初始化后，在由高压产生电路生成的直流高压电源中，当激励电路接收到处理器发出的触发激励脉冲信号后，超声波发射模块产生的瞬时高压脉冲经过探头内的压电晶片产生超声波发射信号，此过程将电能转换成声能。超声波在标准试块中传播，当遇到测试标准中指定的人工缺陷时，立即返回到探头，并通过探头内的压电晶片将声能转换为电信号并传送至超声波接收模块，接收模块对回波信号进行模拟信号处理后再发送至A/D采样模块，再由FPGA对采样数据进行相关处理，ARM核心控制模块对FPGA发送的数据进行合成处理，送至显示屏，最后以波形图的方式进行显示[1]。

  

图1 系统总体结构框图

系统主要包括主控制模块，超声波发射、接收处理模块，人机对话模块和通信接口模块。各模块内部又包含了响应的功能子模块，各模块之间的工作依靠主控制模块来进行综合调度。

1.1 主控制模块

再次，建立健全存货内部控制管理制度，确保采购、验收、入库、保管、出库等各个环节都有严格审批手续和监督控制措施，明确规定各岗位的职责。

这个模块中，用户根据需要自行设置探头参数和仪器参数，其中探头参数设置项目有：测试依据、测试人员、探头厂家、探头编号、探头类型、探头频率、晶片尺寸、折射角度。数据保存在结构体ProbePara中。

该模块是整个系统的核心部分，主要完成系统的总体控制和各功能模块之间的协调运行，如控制超声波检测模块中发射电路的工作参数、数据采集处理模块中A/D转换的触发等。

1.2 超声波发射、接收处理模块

这个模块主要包括功能键盘模块和显示模块。显示器将经过FPGA处理的探伤数据通过显示程序转换后显示出来[3]，键盘模块用于设定参数和测试步骤控制。显示模块主要用于人机对话时数据的显示，采用4×4矩阵键盘，在微处理器的 GPIO端口上连接有键盘扫描编码芯片MM74C922。键盘与扩展键盘扫描编码芯片MM74C922相连接。MM74C922扫描用户按键动作，编码通知CPU的GPIO口，CPU通过处理GPIO中断，读取GPIO获得当前按键值。键盘电路示意图见图3。

这个模块完成系统与计算机之同的通信，包括与计算机之间的串口通信。

1.3 人机对话模块

该模块主要完成超声波信号的产生和超声回波信号的检测以及调理工作，为将模拟信号转换为数字信号做准备，包括超声波发射电路、限幅保护电路、程控放大电路、A/D采样电路、FIFO缓冲电路等[2]。在主控模块的控制下，能够产生超声波探头需要的激励信号，超声波经过标准试块后，超声探头接收回波信号，程控放大电路对信号进行检测放大，A/D电路将放大后的信号进行模数转换，再采用相关数字滤波算法对转换后的数据进行滤波，减少噪声信号对后续信号处理带来的影响。由于数据采集的速度远远高于对数据的处理速度，所以需要对采集到的数据进行缓存，且在保持超声回波信号基本特征前提下还要对采样数据进行压缩处理。发射接收模块示意图如图2所示。

1.4通信接口模块

1.2 主要仪器 采用美国强生公司出产的豪韵(Harmonic)超声刀系统(型号：GEN04)，工作振动频率为55.5 kHz，配备Focus 9 cm弯形剪式刀头。刀头振动幅度50～100 μm，功率输出设定为3档或5档。电刀为Force EI-8c高频单极电刀，输出功率为30 W，混切。

C语言可以直接操作硬件，访问物理地址，进行位操作，实现汇编语言的大部分功能[4-5]。鉴于C语言既具有高级语言的特点，又具有低级语言的特点，本系统的应用程序选用C语言进行编程，采用分层和模块化设计方法，模块主要分为参数设置模块、探头测试模块、数据处理模块。这些模块组合起来可以完成探头测试工作。仪器开机后经过的步骤为：①初始化系统，包括中断、数据区、堆栈等初始化；②通过定时中断进行数据采样、压缩以及波形显示；③系统自检；④自检通过后用户通过按键产生键盘中断，在中断响应中实现参数设置、探头测试、数据处理等功能。整体流程框图如图4所示。

  

图2 发射接收模块

  

图3 键盘电路

2 软件设计

有帖子刺痛了她的眼：程颐要送积分里程换购给粒粒。程颐要送积分里程换购给粒粒。其他人勿扰……一条又一条。粒粒眼睛忽然就模糊了，看看最新的一个帖子，居然发在一个小时前。帖子后面有人跟：何必呢哥们，你为了换取积分，已经负债不少了吧……

2.2.4 重复性试验 取同批浸膏粉末1 g，精密称定，按“2.2.1”项下方法制备供试品溶液，平行试验6份，测定峰面积，计算葛根素的含量。结果葛根素的平均含量为3.81 mg∕g，RSD值为0.40%，表明该方法重复性良好。

2.1 参数设置模块

此外，有学者试图结合21世纪电子信息技术迅猛发展这一特点对跨文化交际理论进行新的阐释和构建，其中具有代表性的是《跨文化交际：E时代的范式与能力构建》一书。作者全面介绍和评论了西方各种跨文化交际理论，在此基础上着手构建自身的理论，并提出了“E时代”的跨文化交际新模型。“E时代”是贯穿全书始终的关键词，作者在书中反复强调它，但始终没有给出明确的定义。其实，所谓的“E时代”，大体意思是人们今天习惯称为“互联网+”的时代，即因互联网服务而实现的全球范围内的全球化。然而，可能是因为“构建‘E时代’跨文化交际新模型”这一目标过于宏大，该书没能给出具体的案例研究，而仅仅是以“天人合一”的宇宙观作为结尾。

 

2.2 探头测试模块

根据标准试块中人工缺陷位置，预先设定好波门在屏幕波形区中的位置、宽度和高度，声程大小和其他参数。探头放在标准试块中规定的位置，门内回波自动增益到波门高度时，此时仪器自动判断测试数据与标准数据的相对误差。屏幕波形区域坐标分为10小格，假设波形区域有D个像素点，人工缺陷深度为H，若标准要求人工缺陷回波在第N格出现，则波形区总声程应该设置为H×10/N。

需要测试的探头的类型有：小角度纵波探头、直探头、横波斜探头。测试项目详见表1。

测试函数TestProbe(char flag)通过参数flag每一比特位的标志来判断，0表示该项测试，1表示不需要测试该项,节约了存储空间。每一项测试成功返回1，否则为0。只有测试成功才能继续下一项测试。

 

  

图4 软件整体流程图

 

表1标准规定测试项目(“√”代表测试项)

  

测试项目入射点前沿K值/折射角分辨力中心回波频率灵敏度余量水平偏斜角小角度纵波探头测试项 直探头测试项 横波斜探头测试项√√√√√---√√√√√√√√√√

 

2.3 数据处理模块

此模块能对测试的数据进行保存并生成结果报告。用户可以浏览报告，连接打印机后还可以打印报告。

3 结语

本文设计了基于ARM和FPGA超声波探头测试仪，详细阐述了探头测试仪的工作原理及系统设计方案。该系统能准确地检测货车轮轴超声波探伤用探头的性能，已在多个车辆段中得到广泛应用。

参考文献：

[1] 曹淑琴，赵新超，袁开国，曹晨磊.基于FPGA的超声波信号处理设计与实现[J].电子技术用，2010，36(5)：104-108.

[2] 王健.管道在线超声波腐蚀监测技术的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2003.

[3] 金伟，周西峰，郭前岗.基于FPGA的便携式超声波探伤仪设计[J].电子测量技术，2009，32(9)：107-110.

[4] 罗莎.计算机中C语言的应用特点分析[J].计算机光盘软件与应用，2012(7)：165-166.

[5] 李飒瑛.C语言与汇编语言混合编程技术研究[J].电子技术与软件工程，2013(14)：134-135.