【正文】 超聲相控陣的偏轉(zhuǎn)聚焦等特性都是由這一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行控制的。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。類似的我們設(shè)置一個輸出端口 F，當(dāng)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。在進(jìn)行一個完整的角度掃描時，標(biāo)志位信號會在不同的角度范圍內(nèi)給出不同的標(biāo)志位，從圖中我們可以得到，掃描角度小于 90176。到 120176。還是小于 90176。 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。當(dāng)復(fù)位信號有效的時候，計(jì)數(shù)器復(fù)位其值變?yōu)?0，輸出信號全部變?yōu)闊o效狀態(tài)。圖 32 為發(fā)射控制模塊的頂層設(shè)計(jì)圖。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(shí)現(xiàn)分頻和倍頻的功能。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。 StratixII 內(nèi)部的鎖相環(huán)支持低功耗模式，當(dāng)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(yùn)行，從而減少設(shè)備的功耗。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(qiáng)型鎖相環(huán)（ EPLL）、快速鎖相環(huán)（ FPLL）。 StratixII 的特征： 包含的邏輯單元的個數(shù)最多可以達(dá)到 179400 個； 增加了自適應(yīng)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(chǔ)上，使得 RAM 增加到 9383040 位； 矩陣存儲器，包括了三個 RAM 模塊，被應(yīng)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(yīng)用于硬件乘法器中，最大運(yùn)行速度可以達(dá)到 450M，乘法累加功能，有限的脈沖響應(yīng)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(yùn)行，減少設(shè)備的功耗； 內(nèi)部集成了 12 個鎖相環(huán)其中包括四個增強(qiáng)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(jìn)行配置，時鐘轉(zhuǎn)換功能 ，實(shí)時的鎖相環(huán)進(jìn)行重新配置，先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)； 在 DPA 模塊中，差分 I/O 端口的運(yùn)行速度可以達(dá)到 1G/S； 支持高速網(wǎng)絡(luò)和通信總線的標(biāo)準(zhǔn)； 支持遠(yuǎn)程配置更新； 可以通過配置加密確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性； 在調(diào)用 IP 核的模塊中， StratixII 提供了多個產(chǎn)權(quán)技術(shù)，用戶可以調(diào)用比較多的 IP核模塊，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。StratixII 內(nèi)部集成了 9M 的矩陣存儲器，可以被應(yīng)用于一些對存儲器要求很高的設(shè)計(jì)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。 FPGA 是專門為處理數(shù)字電路，可以實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)大的邏輯功能，并且芯片的集成度很高，本課題通過在 FPGA 實(shí)現(xiàn)相控陣系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)意義上的模擬開關(guān)，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)目煽啃浴? 波束的偏轉(zhuǎn)： 當(dāng)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]。各個晶片之間是相互獨(dú)立的，均可以在脈沖作用下發(fā)射只和該通道相關(guān)的超聲波。 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)。 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(yīng)用。 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(shè)計(jì)已經(jīng)展現(xiàn)出來了十分強(qiáng)大的優(yōu)勢，而且人們對 FPGA 的認(rèn)識也越來越成熟了，已經(jīng)可以開始利用 FPGA 設(shè)計(jì)很多十分復(fù)雜的邏輯電路，并且整個系統(tǒng)的集成度也十分高。日本生產(chǎn)的超聲相控陣技術(shù)主要是應(yīng)用于檢測焊縫連接，該種技術(shù)在整個超聲相控陣技術(shù)中占有很重要的地位 [5]。 目前，國外研究的應(yīng)用于管道檢測中的全自動超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)得到的很廣泛的應(yīng)用，并且對于焊縫檢測的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。由于其可以自動的實(shí)現(xiàn)聚焦特性，已經(jīng)在業(yè)界得到了廣泛的關(guān)注。最初由于超聲相控陣技術(shù)的復(fù)雜性，超聲波在固體中傳播的復(fù)雜性，以及西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 生產(chǎn)成本高等缺陷，使得超聲相控陣技術(shù)難以得到廣泛的應(yīng)用。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(shù)對水下物體進(jìn)行檢測。 關(guān)鍵字： FPGA；超聲相控陣；細(xì)延遲；聚焦法則 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 V 頁 Abstract With the continuous development of science and technology, the quality of our materials testing requirements are being increasingly high. Modern nondestructive testing technology trends is right materials to achieve highprecision, highresolution detector. Thus it provide better Nondestructive Evaluation for contemporary plex industrial equipments. Throughout the ultrasonic phased array system, the delay focusing algorithm is the key to improve the accuracy of the amount of delay can improve overall system accuracy. This issue through ultrasonic phased array technology for the delay subdivision law studies, and ultimately implement two delay mode, the coarse delay and fine delay. Coarse delay is the transmitted pulse duration of the high level the control module can only be delayed by an integer multiple of the clock cycle。并且在 modelsim 上對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 (2周 ) 備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日 審 批 人： 年 月 日 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們對材料質(zhì)量的檢測要求也變得越來越高。在完成以上工作的基礎(chǔ)之上，再學(xué)習(xí) FPGA 的相關(guān)知識，了解FPGA 的原理、工作過程、特色優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。 “基于 EP3SL150的 FPGA硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和延時細(xì)分算法與 FPGA實(shí)現(xiàn)” 涉及到多種關(guān)鍵技術(shù)， 如 FPGA的開發(fā)、電子設(shè)計(jì)、硬件編程語言等。 (2 周 ) 第二部分 參閱相關(guān)資料，翻譯外文資料，方案初步設(shè)計(jì)，時間規(guī)劃、過程規(guī) 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 III 頁 劃 (2周 ) 第三部分 設(shè)計(jì)方案模塊化、分解設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論分析、系統(tǒng)仿真、模塊仿真、軟件編程工程定義，電路方案的工程定義、設(shè)計(jì)、模塊電路圖、仿真報(bào)告。粗延遲是指發(fā)射脈沖高電平的持續(xù)時間只能是延遲模塊的控制時鐘周期 的整數(shù)倍；在細(xì)延遲中我們可以對延遲模塊的控制時鐘進(jìn)行多相位的分頻，最終可以提高延遲模塊可以達(dá)到的精度。本課題模擬二進(jìn)制開方手算的過程，利用 FPGA 內(nèi)部的乘法器硬核實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制開方運(yùn)算。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(jìn)行 全方位的檢測，這個是有損檢測無法達(dá)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)。 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(shí)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。 超聲相控陣技術(shù)擁有聚焦特性，通過對各個換能器進(jìn)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(diǎn)，這樣就可以在很大程度上提高該點(diǎn)的聲場強(qiáng)度，大大提高了檢測靈敏度。 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。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(shí)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。計(jì)算機(jī)通過一系列的計(jì)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(jī)。 Modelsim 軟件對整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，確保整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論可西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁 實(shí)現(xiàn)性。 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。 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(jì) (論文 ) 第 7 頁 器構(gòu)成的，可以實(shí)現(xiàn)將電壓信號轉(zhuǎn)換為聲能信號。 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。 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(jì)的核心，延遲量