基于FPGA的电磁无损检测系统的设计与实现

论文摘要

近年来,在钢铁材质质量检测的研究领域,电磁无损检测方法以其非破坏性和简便快速的优点取得了大量成果,然而对于钢材及其制品的混料、硬度和裂纹质量检测还存在许多难题。如用传统检测平台检测钢铁件硬度的检测精度和速度都不够理想。基于上述情况,论文将先进的SOPC技术应用到钢铁件的电磁无损检测中。SOPC技术将处理器、存储器、IO接口、各种外围设备等系统设计需要的部件集成到一个可编程逻辑器件上,构建成一个可编程的片上系统。论文详细论述了基于FPGA的电磁无损检测试验装置的理论基础,并在此基础上给出了总体设计方案。全文着重叙述了系统的模拟部分,系统配置以及软件部分的整个设计过程。利用Quartus II自定义外设和Avalon总线多主并行处理的特点,采用Verilog HDL语言实现激励信号发生器和高速数据采集器,使得信号激励和信号采集在同一片芯片中实现,从而提高了信号及信号处理的精确度。由于电磁检测对多种参数的敏感反应,必须抑制由此引入的多种因素的干扰,利用FIR数字滤波和相关方法从众多的干扰信号中提取出有效信号的幅度和相位,同时利用Nios II C2H功能对滤波模块进行硬件加速处理,大大提高了信号处理的速度。利用最小二乘法建立回归方程模型进行无损检测。最后运用此电磁无损检测系统对轴承钢的硬度进行了定性测试,取得了较好的检测结果。试验结果表明,将SOPC技术应用到电磁无损检测系统中,系统的检测速度和检测精度都有所提高,并使得整个系统在规模、可靠性、性能指标、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现了优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究的目的和意义
• 1.2 电磁无损检测技术的研究现状
• 1.3 电磁无损检测技术展望
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 相关知识介绍
• 2.1 电磁无损检测技术
• 2.1.1 电磁无损检测技术概述
• 2.1.2 电磁无损检测技术原理
• 2.1.3 磁导率法检测
• 2.2 SOPC 片上系统
• 2.3 可编程逻辑器件
• 2.3.1 FPGA/CPLD 概述
• 2.3.2 FPGA/CPLD 的基本结构
• 2.3.3 Nios II 软核处理器
• 2.3.4 Avalon 总线
• 2.4 本章小结
• 第3章 钢铁材质分选系统的组成
• 3.1 钢铁材质分选系统的组成
• 3.2 器件选型及设计原理图
• 3.2.1 核心器件
• 3.2.2 存储器器件
• 3.2.3 其它主要芯片
• 3.3 本章小结
• 第4章 钢铁材质分选系统的系统配置
• 4.1 系统配置实现
• 4.1.1 SOPC Builder 设计流程
• 4.1.2 DDS IP 构件开发
• 4.1.3 数据采集IP 构件开发
• 4.1.4 系统集成
• 4.2 硬件系统编译
• 4.3 本章小结
• 第5章 钢铁材质分选系统的软件设计
• 5.1 各硬件模块的核心代码
• 5.1.1 键盘扫描模块
• 5.1.2 液晶显示模块
• 5.1.3 参数存储模块
• 5.1.4 CPLD 模块
• 5.1.5 人机界面
• 5.2 相关方法
• 5.2.1 相关原理
• 5.2.2 相关算法
• 5.3 数字滤波
• 5.4 回归方程的建立
• 5.5 硬度检测
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统调试及试验结果
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 硬件调试
• 6.1.2 软件调试
• 6.2 试验结果
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢