【正文】 ......... 38 硬件仿真結(jié)果 ................................................... 40 3． 9本章小結(jié) ...................................................... 42 結(jié) 論 ................................................................. 43 致 謝 ................................................................. 46 參考文獻 .............................................................. 47 附錄：源程序代碼 ...................................................... 49 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 1 頁 第 1章 緒論 注意論文標題中 點號是英文格式 引言 無損檢測技術是 利用物質(zhì)的聲、光、電特性，在不損害物質(zhì)的前提下，檢測 物質(zhì)中是否存在缺陷，并且可以準確的給出缺陷的大小 ，位置。在第一次世界大戰(zhàn)期間，人們就已經(jīng)開始利用超聲波技術對水下物體進行檢測。 超聲相控陣技術來自于雷達 相控陣技術， 相控陣雷達技術是由許多輻射單元組成的，通過控制 各輻射單元輻射電磁波的相位和幅度 ，可以靈活調(diào)整合成電磁波的輻射方向，從而完成在一定區(qū)域 的掃描。最初由于超聲相控陣技術的復雜性，超聲波在固體中傳播的復雜性，以及西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 2 頁 生產(chǎn)成本高等缺陷，使得超聲相控陣技術難以得到廣泛的應用。 利用超聲相控陣完成物體檢測 的整個過程我們并不需要移動被檢測物體，直接通過改變 聚焦偏轉(zhuǎn)角度 改變就可以實現(xiàn)對物體進行多個角度的檢測，在對大型復雜工業(yè)的檢測中，可以大大提高檢測的效率。由于其可以自動的實現(xiàn)聚焦特性，已經(jīng)在業(yè)界得到了廣泛的關注。由此我們可以看出超聲相控陣技術的應用前景是十分好的。 目前，國外研究的應用于管道檢測中的全自動超聲相控陣技術已經(jīng)得到的很廣泛的應用，并且對于焊縫檢測的技術已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。 90 年代末，國外對合成孔徑聚焦技術的研究對超聲相控陣的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。日本生產(chǎn)的超聲相控陣技術主要是應用于檢測焊縫連接，該種技術在整個超聲相控陣技術中占有很重要的地位 [5]。 在傳統(tǒng)的超聲相控系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的控制核心是計算機。 隨著數(shù)字電路的不斷發(fā)展，尤其是現(xiàn)場可編程門陣列的發(fā)展，基于 FPGA 的數(shù)字電路的設計已經(jīng)展現(xiàn)出來了十分強大的優(yōu)勢，而且人們對 FPGA 的認識也越來越成熟了，已經(jīng)可以開始利用 FPGA 設計很多十分復雜的邏輯電路，并且整個系統(tǒng)的集成度也十分高。 FPGA 主控平臺實現(xiàn)一些模塊的具體功能，主要包括，發(fā)射模塊，掃描模塊，算法的實現(xiàn)模塊，延遲模塊以及利用 FPGA 內(nèi)部增強型鎖相環(huán)實現(xiàn) 8 相位的時鐘信號的輸出，最終實習細延遲功能。 1． 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了超聲相控陣的發(fā)展歷史以及超聲相控陣的主要應用。超聲波的波長一般都比較短，不容易在空間形成繞射效應，基本可以認為是按照直線傳播的，具有很好的方向性，并且其具有很強的穿透性，所 以在很多方面超聲波都得到了廣泛的應用。 2． 1 超聲波聲場 基本概念 超聲波的聲場指的是充滿超聲波的空間，以及包括由于超聲波的波動而帶動空間介質(zhì)震動的部分介質(zhì)。反而言之，如果介質(zhì)和缺陷間的聲阻抗一樣，則我們同樣無法檢測到被檢測物體中是否存在缺陷。各個晶片之間是相互獨立的，均可以在脈沖作用下發(fā)射只和該通道相關的超聲波。聲阻抗表示了介質(zhì)對超聲波的阻礙作用，所以對于不同的介質(zhì)來講由于聲阻抗特性是不一樣的，從而導致超聲波在不同介質(zhì)中傳播的過程中會表現(xiàn)出不同的傳輸特性。 波束的偏轉(zhuǎn)： 當相控陣系統(tǒng)中的各個晶片發(fā)射脈沖的延遲量滿足等差數(shù)列的時候，超聲波的波陣面將表現(xiàn)出來偏轉(zhuǎn)的特性 [10]。并且要在設計的基礎上盡可能的提高設計的精確度和 使用的范圍。 FPGA 是專門為處理數(shù)字電路，可以實現(xiàn)很強大的邏輯功能，并且芯片的集成度很高，本課題通過在 FPGA 實現(xiàn)相控陣系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)意義上的模擬開關，可以增加系統(tǒng)的可靠性，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x有限，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。只有確保超聲相控陣系統(tǒng)可以發(fā)射出穩(wěn)定的超聲波，最終的相控陣系統(tǒng)才可以達到設計要求。StratixII 內(nèi)部集成了 9M 的矩陣存儲器，可以被應用于一些對存儲器要求很高的設計中，內(nèi)部增加了 96 個 DSP 模塊，內(nèi)部集成了 384 個 18 位乘以 18 位的乘法器，用戶可以直接調(diào)用這些硬核乘法器，可以大大降低用戶的開發(fā)周期。 StratixII 中的用戶邏輯單元是采用二維矩陣形式進行排列的，行和列之間使用不同長度不同速度的內(nèi)部連接將邏輯數(shù)組模塊，存儲器模塊，和數(shù)字信號處理模塊連接在一起。 StratixII 的特征： 包含的邏輯單元的個數(shù)最多可以達到 179400 個； 增加了自適應邏輯模塊，提高了 FPGA 的性能，提高資源的利用率； 在沒有降低邏輯資源的 基礎上，使得 RAM 增加到 9383040 位； 矩陣存儲器，包括了三個 RAM 模塊，被應用在雙端口的存儲器中，內(nèi)部集成了FIFO 緩沖器； 高速的數(shù)據(jù)處理模塊，應用于硬件乘法器中，最大運行速度可以達到 450M，乘法累加功能，有限的脈沖響應濾波器； 在每個區(qū)域中包括了 24個時鐘源，增加了 16 個全局時鐘； 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 11 頁 時鐘管理模塊支持動態(tài)的時鐘使能和禁制功能，可以禁制時鐘信號的運行，減少設備的功耗； 內(nèi)部集成了 12 個鎖相環(huán)其中包括四個增強型鎖相環(huán)和 8 個快速鎖相環(huán)，每一個鎖相環(huán)都支持時鐘的功率譜密度的拓展，可以對帶寬進行配置，時鐘轉(zhuǎn)換功能 ，實時的鎖相環(huán)進行重新配置，先進的倍頻和相移的能力； 支持多種單端和差分輸入輸出的電平標準； 在 DPA 模塊中，差分 I/O 端口的運行速度可以達到 1G/S； 支持高速網(wǎng)絡和通信總線的標準； 支持遠程配置更新； 可以通過配置加密確保系統(tǒng)設計的安全性； 在調(diào)用 IP 核的模塊中， StratixII 提供了多個產(chǎn)權技術，用戶可以調(diào)用比較多的 IP核模塊，優(yōu)化系統(tǒng)的設計。 3． 1． 2 FPGA 內(nèi)部鎖相環(huán) 鎖相環(huán)的功能： 鎖相環(huán)路實際上就是一種反饋電路，簡稱鎖相環(huán) [12]。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 12 頁 FPGA 內(nèi)部的鎖相環(huán)： FPGA 內(nèi)部的鎖相環(huán)可以兩種：增強型鎖相環(huán)（ EPLL）、快速鎖相環(huán)（ FPLL）。增強型鎖相環(huán)和快速鎖相環(huán)都有很強的可操作性，并且可以進行一些對于鎖相環(huán)來講比較先進的操作方式，比如說輸入時鐘可以在多個時鐘源之間進行轉(zhuǎn)換、可以進行鎖相環(huán)相位的重新配置、鎖相環(huán)的重新配置以及帶寬的重新配置。 StratixII 內(nèi)部的鎖相環(huán)支持低功耗模式，當時鐘信號不需要工作的時候，我們可以很容易的禁制該時鐘信號的運行，從而減少設備的功耗。 FPGA 內(nèi)部包括了很多部分確保整個系統(tǒng)的可靠性。鑒相器的輸出信號通過電荷垹和環(huán)路濾波器產(chǎn)生一個電壓控制信號，控制壓控振蕩器器的輸出頻率。環(huán)路濾波器可以濾除有電荷垹出來的短波干擾。鑒相器的輸入?yún)⒖碱l率等于鎖相環(huán)的輸入頻率除以 n，所以 FPGA 內(nèi)部的鎖相環(huán)可以同時實現(xiàn)分頻和倍頻的功能。每一個輸出時鐘的相位都可以進行單獨的設定，也可以通過設計倍頻和分頻因子產(chǎn)生不同頻率和不同相位的相關時鐘。圖 32 為發(fā)射控制模塊的頂層設計圖。這樣我們在一個周期內(nèi)，就可以完成對一個點的聚焦過程，當進行到下一個周期的時候，自動轉(zhuǎn)換到下一個聚焦點上。當復位信號有效的時候，計數(shù)器復位其值變?yōu)?0，輸出信號全部變?yōu)闊o效狀態(tài)。圖 34 為發(fā)射控制模塊單個周期內(nèi)的仿真時序圖。 掃描模塊主要包 括：掃描譯碼、通道數(shù)目 i 的掃描、偏轉(zhuǎn)角度的掃面、聚焦半徑的掃描。 表 31 地址與輸出關系 輸出數(shù)據(jù)代表的意義 地址 掃描角度的初始 值（ cos_addr_out） 0000 相鄰晶片的距離（ d_out） 0001 聚焦半徑的最小值（ PO_min） 0010 聚焦半徑的最大值 (PO_max) 0011 聚焦半徑的步進值 (PO_r) 0100 超聲波的波速 (v_out) 0101 圖 36 掃描模塊的頂層設計圖 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 18 頁 圖 37 掃描譯碼模塊的仿真時序 由仿真結(jié)果我們可以得出，當復位信號有效的時候，譯碼模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為0，即此時不需要進行后續(xù)模塊的計算，當寫信號有效的時候，在時鐘信號的控制下，按照地址的大小，最終將輸入的數(shù) 據(jù)傳輸給響應的通道，并且此時 PO_WR 信號有效，該信號在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，會失效，即該信號控制后續(xù)的計算模塊時候接受前級傳入的數(shù)據(jù)。還是小于 90176。我們都知道偏轉(zhuǎn)角度數(shù)越小，超聲波的方向性就越好。到 120176。 在 FPGA 內(nèi)部，無法進行負數(shù)的運算，對于互補的兩個角度，其余弦值對應的絕對值是一樣的，因此為了區(qū)分該角度和其補角的關系我們設定一個輸出端口，當角度大于 90176。在進行一個完整的角度掃描時，標志位信號會在不同的角度范圍內(nèi)給出不同的標志位，從圖中我們可以得到，掃描角度小于 90176。在每一次的聚焦過程中，我們都必須對 i值進行一次完整的掃描，我們采用的是 16 通道的相控陣控制技 術，所以在給定一個聚焦半徑和偏轉(zhuǎn)角度，就需要對通道數(shù)目掃描 16 次。類似的我們設置一個輸出端口 F，當晶片處于中心晶片左邊的時候， F 輸出為高電平，反之 F 輸出為低電平。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 21 頁 圖 311 通道數(shù)目掃描的仿真圖 由仿真結(jié)果可以看出來，當 HLT 有效的時候，掃描模塊進入等待狀態(tài)，也就是維持先前的計數(shù)狀態(tài)保持不變。圖 312給出了聚焦半徑掃描模塊的頂層圖，圖 313 給出了聚焦半徑掃描的仿真圖。為了區(qū)分這種情況，我 們設定一個輸出信號 F_out，我們設當 F_n 和 cos_F 具有相同的數(shù)值，即輸出均為 0 或者為 1 的情況下，輸出 F_out 為 0，反之為 1。超聲相控陣的偏轉(zhuǎn)聚焦等特性都是由這一部分數(shù)據(jù)進行控制的。加入緩存模塊除了可以保證