【正文】 中，我們采用的是扇形掃描，我們以相控陣的中心晶片為圓心，以中心晶片到聚焦點的距離為半徑，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)范圍為 60176。當(dāng)完成一段弧度的掃描之后，聚焦半徑增加，從而進行第二段弧度的掃描。我們設(shè)定的掃描角度總工有 20 個，當(dāng)一段角度掃西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 20 頁 描完成之后， PO_en，信號有效，此時便可以進行 PO 數(shù)值的掃描。 通道數(shù)目的掃描： 一個聚焦周期實際上就是對 i 值實現(xiàn)一個完整的掃描過程。我們令中心晶片為原點，左右兩個各有 8 中 i的取值，最小為 0 最大為 7,。圖 311 為通道數(shù)目掃描的仿真圖。 PO大小指的就是當(dāng)掃面的角度為 0 時，中心晶片達到聚焦位置的焦距半徑。 區(qū)域選擇： 在前面我們已經(jīng)提到過了，我們的整個相控陣系統(tǒng)中的晶片位置實際上是可以看做是以中心晶片對應(yīng)的法線位置分為左右兩個區(qū)域 [16]，在這兩個區(qū)域中對稱點實際上是有著相同的 i并且相應(yīng)角度的余弦值的絕對值也是一樣的，所以他們在整個無符號的計算過程中會出現(xiàn)相同的參數(shù)，從而導(dǎo)致輸出的延遲量發(fā)生變化。 3． 4 算法的實現(xiàn)模塊 算法實現(xiàn)模塊式整個超聲相控陣聚焦系 統(tǒng)設(shè)計運算的核心部分，該部分接受前面?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)，在其內(nèi)部進行一系列的運算處理，最終輸出準(zhǔn)確的延遲信息。第二級緩存模塊的時鐘要保持和算法的計算模塊的時鐘信號一致。 在前面的設(shè)計中，掃描模塊中采用的時鐘信號為頻率為 50MHZ 的主時鐘信號，但是在運算模塊中我們采用的是 FPGA 內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生的 10MHZ 的時鐘作為運算時鐘，所以為了保證掃描模塊和運算模塊之間的數(shù)據(jù)保持同步，我們在設(shè)計中采用兩級緩存 [17]。圖 314 為區(qū)域選擇的頂層模塊圖，圖 315 區(qū)域選擇模塊的仿真圖。 圖 312 聚焦半徑掃描的頂層圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 22 頁 圖 313 聚焦半徑掃描的仿真圖 由仿真結(jié)果 我們可以知道，每當(dāng) PO_en 信號有效的時候， PO 的數(shù)值就在原來的基礎(chǔ)上增加 PO_r，當(dāng) PO 大于 PO_max 的時候，輸出 scan_stop 信號。我們設(shè)定的通道數(shù)目總共是十六個，在 n值的掃描過程中，我們是將中心晶片的位置設(shè)為 0，左右兩邊對稱，通道數(shù)目在中心晶片的左邊或者右邊會有一個標(biāo)志位 F_n，通道的地址是 0 到 15，完成一個掃描過程之后，通道數(shù)目會自動變?yōu)?0，如果掃描信號有效，就繼續(xù)進行掃描。 掃描的時鐘信號為 50mhz的系統(tǒng)時鐘，當(dāng)全局使能信號和 scan_n_en 信號均有效的時候，開始進行通道數(shù)的掃描。圖 310為通道數(shù)目掃描的頂層設(shè)計圖。標(biāo)志位信號為低電平，當(dāng)掃描角度大于 90176。時， cos_F 輸出為高電平，反之輸出為低電平。實現(xiàn)一段弧度的掃描過程。在目前的工業(yè)和醫(yī)學(xué)上，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)一般選在 30176。圖 38 為偏轉(zhuǎn)角度掃描的頂層圖。 掃描模塊的時鐘為 50Mhz的系統(tǒng)時鐘， 32 位的數(shù)據(jù)總線和 4 位的地址總線在時序的控制下一次傳入六組數(shù)據(jù)到譯碼模塊。圖 35 是整個掃描模塊的頂層設(shè)計圖。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 16 頁 圖 34 發(fā)射控制模塊 單周期的仿真時序 3． 3 掃描模塊的設(shè)計 掃描模塊是為整個算法實現(xiàn)模塊提供數(shù)據(jù)源，整個掃描模塊是一系列的數(shù)據(jù)進行自動掃描之后加載到各個算法實現(xiàn)模塊上的。由仿真圖我們可以知道，在一個周期內(nèi)對聚焦偏轉(zhuǎn)角度掃面一次，但是對通道數(shù)要掃描十六次，即完成十六通道的全部掃描過程。如此重復(fù)就可以完成整個扇形掃描的全部過程。 圖 32 發(fā)射控制模塊頂層 發(fā)射模塊的時鐘采用的是 50MHZ，在發(fā)射模塊的內(nèi)部是一個計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器的數(shù)值到達不同的取值時，發(fā)出不同的控制信號，使能后面的各個模塊。時鐘的輸出電平可以支持很多種模式，用戶可以自動設(shè)定輸出時鐘對應(yīng)的電平。 VCO 的輸出可以通過六個不同的通道反饋回去。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13 頁 環(huán)路濾波器的輸出電壓決定了壓控振蕩器的輸出頻率。如果鑒相器的輸出電壓增加， VCO 的輸出頻率增加，反之 VCO 的輸出頻率減少。 StratixII 在輸入?yún)⒖紩r鐘的上升沿通過鑒相器將信號反饋回來。鎖相環(huán)輸入時鐘可以從五個可能的時鐘源中動態(tài)的選擇一個時鐘作為其輸入時鐘，反饋到第一個或者第二個時鐘輸入端口。內(nèi)部的鎖相環(huán)可以被用來進行時鐘管理，支持復(fù)用功能，可以自定義的配置相移和占空比。StratixII 中的鎖相環(huán)提供了完整的時鐘管理、控制設(shè)備時鐘管理的同步性、外 部系統(tǒng)的時鐘管理、可以進行高速的 I/O 端口通信。鎖相環(huán)的特點是可以實現(xiàn)信號頻率和相位的跟蹤。 在本次課題的設(shè)計中，我們需要直接調(diào)用 FPGA內(nèi)部的乘法器硬核資源提高 FPGA邏輯單元的利用率，直接調(diào)用硬核資源可以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性， StratixII 內(nèi)部的具有豐富的硬核乘法資源可以調(diào)用。每一個邏輯數(shù)組模塊包括了 8 個自適應(yīng)邏輯模塊。支持一些高速的外部存儲器接口， I/O 接口支持很多電平標(biāo)準(zhǔn)，在 DPA 回路中支持 1G/S 的輸出傳輸速度。在以往的很多設(shè)計中，延遲信息的實現(xiàn)是通過模擬開關(guān)進行控陣的，并且由于系統(tǒng)比較龐大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?時間 長，所以在數(shù)據(jù)的傳輸過程中 ，可能會造成一定程度上的誤差。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9 頁 2． 3 總結(jié) 在整個超聲相控陣的控制系統(tǒng)中，我們不是要單單實現(xiàn)波束的聚焦或波束的偏轉(zhuǎn)，而 是要在系統(tǒng)中同時實現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦特性，所以我們必須要認真的討論如何控制延遲聚焦的時間，運用合理的算法實現(xiàn)最終的聚焦過程。 綜上所述，在整個相控陣技術(shù)中，延遲聚焦算法是整個 相控陣系統(tǒng)設(shè)計的核心，延遲量可以達到的精度影響 整個相控陣的精度。 波束的聚焦： 當(dāng)超聲相控陣系統(tǒng)中，各個晶片發(fā)射的延遲時間呈拋物線關(guān)系的時候，發(fā)射的超聲波的波陣面會在中心軸上的某一點出現(xiàn)聚焦特性 [11]。 前面已經(jīng)提到了，超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)呈現(xiàn)出來的阻抗特性是不一樣的，當(dāng)相控陣的各個通道發(fā)出超聲波之后，當(dāng)超聲波遇到被檢測物體時，由于反射現(xiàn)象的存在，會有一部分的超聲波反射回來。并且所有通道發(fā)出的超聲波是想干波，這些相干波在空間會進行疊加，最終實現(xiàn)穩(wěn)定的聲場 。 2． 2 超聲相控陣的檢測原理 2． 2． 1 超聲相控陣的 組成 超聲相控陣中重要組成部分是相控陣中的多個探頭，每個探頭都是由壓電轉(zhuǎn)換西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 器構(gòu)成的，可以實現(xiàn)將電壓信號轉(zhuǎn)換為聲能信號。在空間中，穩(wěn)定的超聲波聲場具 有一定的特性，但是在兩種介質(zhì)間，超聲波可能會存在一些不同的特性，所以可以通過檢測這些超聲波參量的變化，來確定被檢測物體中是否存在缺陷。 超聲相控陣技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是超聲波的傳播特性，主要利用 到了超聲波聲場的一些特性，以及關(guān)于空間中合成波的一些基本特性。描述國內(nèi)外的超聲相控陣的發(fā)展?fàn)顩r，最后介紹了課題中研究的主要內(nèi)容。 Modelsim 軟件對整個系統(tǒng)的設(shè)計進行仿真，確保整個系統(tǒng)設(shè)計的理論可西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 5 頁 實現(xiàn)性。 Altera 公司也根據(jù)電子 技術(shù)發(fā)展的要求，推出了一代又一代 FPGA，使得利用 FPGA 設(shè)計的成本不斷的減少，技術(shù)越來越成熟。計算機通過一系列的計算，得到每個通道確定的 延遲信息，之后經(jīng)過總線技術(shù)，傳輸給下位機。 在國外超聲 相控陣技術(shù)研究的重點已經(jīng)逐步向相控陣的動態(tài)聚焦、自適應(yīng)聚焦、高分辨率的數(shù)字成像等方面進行發(fā)展。目前已經(jīng)有公司 推出了全新的超聲相控陣的檢測技術(shù)，可以實現(xiàn)扇形掃面，動態(tài)聚焦等功能，使得相控陣技術(shù)的應(yīng)用又得到了很大程度的發(fā)展。他們在航空航天和核工業(yè)方面，對超聲相控陣技術(shù)提出了更高質(zhì)量的要求。 1． 2 超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 1． 2． 1 國內(nèi)超聲相控陣無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)的超聲相控陣技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)監(jiān)測中。隨著壓電復(fù)合材料、計算機技術(shù)、數(shù)字電路的不斷發(fā)展，為超聲相控陣技術(shù)提供了很好的發(fā)展平臺。 超聲相控陣技術(shù)擁有聚焦特性，通過對各個換能器進行一定的時序控制，使得每一個換能器發(fā)出的超聲波都作用在被聚焦點，這樣就可以在很大程度上提高該點的聲場強度，大大提高了檢測靈敏度。然而隨著 計 算機技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)得到的很快的發(fā)展，尤其在工業(yè) 發(fā)展特別迅速，數(shù)字電路的發(fā)展促進了整個超聲相控陣技術(shù)的準(zhǔn)確性。 在超聲相控陣，其由很多的壓電晶片組成，這些壓電晶片在脈沖的控制作用下可以連續(xù)不斷的發(fā)出超聲波，所以可以通過控制各個壓電晶片發(fā)出超聲波的時間，實現(xiàn)超聲波的聚焦、偏移等特性，完成整個掃描過程，從而檢測物體中是否存在缺陷。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，超聲波檢測技術(shù)已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、和石油開采等方面。與傳統(tǒng)的有損檢測相比，有以下幾個明顯的優(yōu)勢： 第一 ， 在整個檢測的過程中，其不會破壞被檢測物體；第二 ， 在必要的時候可以對被檢測物進行 全方位的檢測，這個是有損檢測無法達到的；第三 ， 有損檢測針對的對象基本都是原材料，而無損檢測的對象可以是生產(chǎn)工藝中任何一個生 產(chǎn)環(huán)節(jié)。 the fine delay of the delay module, we can control the multiphase clock frequency, can ultimately increase the delay module achievable accuracy. Enhanced FPGA integrated PLL can achieve multiphase clock signals, using the multiphase clock signals, we can improve the accuracy of the delay amount. This design is based on the FPGA platform, cleverly integrated with enhanced FPGA internal PLL to ach