八通道探傷數(shù)據(jù)實時傳輸模塊驅動設計

探傷系統(tǒng)中需要進行驅動設計的模塊主要分為兩大類。第一類是與超聲波探傷功能相關的信號處理部分，主要通過 FPGA 實現(xiàn)，包括實時波形傳輸模塊、硬件實時報警和報警波形存儲模塊以及參數(shù)配置模塊等，這些模塊涉及到的主要是 FPGA 中的高速信號處理以及數(shù)據(jù)流向 ARM傳輸?shù)墓δ?，與系統(tǒng)性能關系密切，需要對其中的控制算法進行重點優(yōu)化設計。第二類是 ARM系統(tǒng)的外設驅動部分，主要有 RTC 實時時鐘模塊、DAC 增益控制模塊、ADC 電池電量監(jiān)控模塊、LCD 驅動、LCD 背光亮度控制模塊以及矩陣鍵盤驅動。這些外設與探傷功能沒有直接關系，卻是組成 ARM 嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。

八通道探傷數(shù)據(jù)實時傳輸模塊驅動設計

探傷系統(tǒng)的前端模擬部分采用八通道高速 ADC 進行采樣，采樣速率為 40M,10bit。在 FPGA中，對八通道的高速數(shù)據(jù)需要進行非均勻壓縮處理，將高速數(shù)據(jù)流壓縮為 ARM 處理器可處理的低速數(shù)據(jù)流。在 FPGA 中設置了八個 FIFO，分別存儲八路通道壓縮后的波形數(shù)據(jù)。ARM 系統(tǒng)需要從 FIFO 中讀入波形數(shù)據(jù)并進行實時的波形顯示，這對系統(tǒng)的實時性要求非常高。為了保證 FPGA 能夠向 ARM 子系統(tǒng)及時高效地傳輸探傷數(shù)據(jù)，探傷系統(tǒng)采用了中斷方式進行控制。由于軟件同時只顯示一個通道的波形，因此 FPGA 中通過八選一數(shù)據(jù)選擇器對八通道進行選擇，每次只發(fā)送需要進行顯示的通道的中斷。中斷的選擇通過該設備驅動程序中的 ioctl()實現(xiàn)，在ioctl()函數(shù)中，修改內(nèi)核空間的通道號變量，并且向 FPGA 中的通道選擇寄存器寫入相應的通道號控制字就可以實現(xiàn)顯示通道的切換。

以重復頻率 50Hz 為例，F(xiàn)PGA 對波形數(shù)據(jù)進行非均勻壓縮后，每隔 20ms 發(fā)送一個中斷信號給 ARM,ARM 模塊接收到中斷后，由 Linux 操作系統(tǒng)負責處理中斷，調(diào)用該設備驅動程序中的中斷服務子程序。在中斷處理程序中，首先通過通道號變量確定需要進行傳輸?shù)耐ǖ溃⒋_定需要讀入 FIFO 數(shù)據(jù)的端口地址。然后通過 insw（）調(diào)用，從 FPGA 中的 FIFO 中讀取探傷波形數(shù)據(jù)到操作系統(tǒng)的內(nèi)核空間。接下來需要與應用程序通信，通知波形數(shù)據(jù)已經(jīng)到達。驅動程序與進程的通信屬于進程間通信，Linux 中進程間通信方式包括管道（Pipe）、FIFO、信號（Signal）、共享內(nèi)存（Shared Memory）以及套接字（Socket）等。其中信號既可以用于兩個進程之間進行通信，也可以用于內(nèi)核與進程之間的通信，但內(nèi)核只能向進程發(fā)送信號而不能接收信號。

驅動程序采用了異步通信的機制來實現(xiàn)與應用程序的通信。當驅動程序從 FIFO 中讀取完畢波形數(shù)據(jù)后，向應用程序發(fā)送信號 SIGIO。應用程序接收到 SIGIO 信號后，再調(diào)用驅動中的 read()方法，從內(nèi)核空間讀取波形數(shù)據(jù)進行實時顯示。這種方法在一定程度上實現(xiàn)了軟件意義上的中斷機制。與反復輪詢方法相比，減少了系統(tǒng)的開銷，提高了系統(tǒng)的運行效率。