【正文】 可以達(dá)到的精度影響 整個(gè)相控陣的精度。在以往的很多設(shè)計(jì)中，延遲信息的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)模擬開關(guān)進(jìn)行控陣的，并且由于系統(tǒng)比較龐大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?時(shí)間 長(zhǎng)，所以在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中 ，可能會(huì)造成一定程度上的誤差。每一個(gè)邏輯數(shù)組模塊包括了 8 個(gè)自適應(yīng)邏輯模塊。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率和相位的跟蹤。內(nèi)部的鎖相環(huán)可以被用來(lái)進(jìn)行時(shí)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 在輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘的上升沿通過(guò)鑒相器將信號(hào)反饋回來(lái)。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 13 頁(yè) 環(huán)路濾波器的輸出電壓決定了壓控振蕩器的輸出頻率。時(shí)鐘的輸出電平可以支持很多種模式，用戶可以自動(dòng)設(shè)定輸出時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的電平。如此重復(fù)就可以完成整個(gè)扇形掃描的全部過(guò)程。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁(yè) 圖 34 發(fā)射控制模塊 單周期的仿真時(shí)序 3． 3 掃描模塊的設(shè)計(jì) 掃描模塊是為整個(gè)算法實(shí)現(xiàn)模塊提供數(shù)據(jù)源，整個(gè)掃描模塊是一系列的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)掃描之后加載到各個(gè)算法實(shí)現(xiàn)模塊上的。 掃描模塊的時(shí)鐘為 50Mhz的系統(tǒng)時(shí)鐘， 32 位的數(shù)據(jù)總線和 4 位的地址總線在時(shí)序的控制下一次傳入六組數(shù)據(jù)到譯碼模塊。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。時(shí)， cos_F 輸出為高電平，反之輸出為低電平。圖 310為通道數(shù)目掃描的頂層設(shè)計(jì)圖。我們?cè)O(shè)定的通道數(shù)目總共是十六個(gè)，在 n值的掃描過(guò)程中，我們是將中心晶片的位置設(shè)為 0，左右兩邊對(duì)稱，通道數(shù)目在中心晶片的左邊或者右邊會(huì)有一個(gè)標(biāo)志位 F_n，通道的地址是 0 到 15，完成一個(gè)掃描過(guò)程之后，通道數(shù)目會(huì)自動(dòng)變?yōu)?0，如果掃描信號(hào)有效，就繼續(xù)進(jìn)行掃描。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。第二級(jí)緩存模塊的時(shí)鐘要保持和算法的計(jì)算模塊的時(shí)鐘信號(hào)一致。 區(qū)域選擇： 在前面我們已經(jīng)提到過(guò)了，我們的整個(gè)相控陣系統(tǒng)中的晶片位置實(shí)際上是可以看做是以中心晶片對(duì)應(yīng)的法線位置分為左右兩個(gè)區(qū)域 [16]，在這兩個(gè)區(qū)域中對(duì)稱點(diǎn)實(shí)際上是有著相同的 i并且相應(yīng)角度的余弦值的絕對(duì)值也是一樣的，所以他們?cè)谡麄€(gè)無(wú)符號(hào)的計(jì)算過(guò)程中會(huì)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。圖 311 為通道數(shù)目掃描的仿真圖。 通道數(shù)目的掃描： 一個(gè)聚焦周期實(shí)際上就是對(duì) i 值實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的掃描過(guò)程。當(dāng)完成一段弧度的掃描之后，聚焦半徑增加，從而進(jìn)行第二段弧度的掃描。的時(shí)候，超聲波會(huì)出現(xiàn)波瓣，所以在工業(yè)檢測(cè)的應(yīng)用中，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)一般小于 60176。表 31給出了地址與對(duì)應(yīng)輸出的關(guān)系 ， 圖 36給出了掃描譯碼模塊的頂層設(shè)計(jì)圖， 圖 37給出了掃描譯碼模塊的仿真時(shí)序圖。從而保證整個(gè)系統(tǒng)的同步性。在本次課題的設(shè)計(jì)中我們假設(shè)掃描的最大焦距 H 為 7cm，而超聲波在鋼鐵中的傳輸西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 15 頁(yè) 速度 V 為 ，所以超聲波完成一次發(fā)射與接收的時(shí)間 [13]為： 2 * 2 * 0 .0 75900Ht v? ? ? = 所以發(fā)射超聲波頻率對(duì)應(yīng)的周期應(yīng)該大于，所以超聲波發(fā)射的重復(fù)頻率等于42khz，為了使得在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì) 16 通道掃描，計(jì)算以及延遲信息的加載，所以我們?cè)O(shè)定每個(gè)通道控制信號(hào)的重復(fù)頻率為 1khz。圖 31 是 FPGA 內(nèi)部增強(qiáng)型鎖相環(huán)的內(nèi)部框圖 圖 31 FPGA 內(nèi)部增強(qiáng)型鎖相環(huán) 六個(gè)輸出時(shí)鐘均可以用作外部時(shí)鐘的輸出端口，所以每一個(gè)計(jì)數(shù)器都可以對(duì)應(yīng)著產(chǎn)生響應(yīng)的頻率信號(hào)。環(huán)路濾波器將這些增減信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，作用于壓控振蕩器。鎖相 環(huán)的主要目的是為了保證內(nèi)部和外部的時(shí)鐘與輸入的參考時(shí)鐘保持相位和頻率的一致性。 StratixII 內(nèi)部包含兩種鎖相環(huán)，增強(qiáng)型鎖相環(huán)和快速鎖相環(huán)。 在本課題的設(shè)計(jì)中，我們外部采用的時(shí)鐘信號(hào)比較多， FPGA 內(nèi)部的時(shí)鐘管理模塊可以對(duì)這些時(shí)鐘進(jìn)行很好的管理，避免時(shí)序的混亂。用戶可以對(duì)以前配置的 FPGA 通過(guò)數(shù)據(jù)流重新配置內(nèi)部寄存器 [10]。 綜上所述，在整個(gè)相控陣技術(shù)中，延遲聚焦算法是整個(gè)相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，延遲量可以達(dá)到的精度，直接影響到整個(gè)相控陣的精度。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) TT圖 21 波束偏轉(zhuǎn)和聚焦的示意圖 在整個(gè)超聲相控陣的控制系統(tǒng)中，我們不是要單單實(shí)現(xiàn)波束的聚焦或波束的偏轉(zhuǎn)，而是要在系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦特性，所以我們必須要認(rèn)真的討論如何控制延遲聚焦的時(shí)間，運(yùn)用合理的算法實(shí)現(xiàn) 最終的聚焦過(guò)程。聲阻抗值指的是在超聲波傳播的過(guò)程中，介質(zhì)內(nèi)任意一點(diǎn)的聲壓與超聲波傳播速度的比值。 在超聲波傳播的整個(gè)過(guò)程中，聲阻抗表明了介質(zhì)對(duì)超聲波的阻礙情況，對(duì)于不同的介質(zhì)其對(duì)超聲波產(chǎn)生的阻礙作用是不一樣的，所以我們可以以該理論作為基礎(chǔ)，判斷陪檢測(cè)物體中是否存在缺陷。通常我們將頻率大于 20KHZ 的聲音成為超聲波 [7]。 本論文研究的主要內(nèi)容如下： ，了解其基本原理以及實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的基本方法，尤其是對(duì)延遲細(xì)分算法實(shí)現(xiàn)部分的研究 EP3SL150 的 FPGA 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括設(shè)計(jì)中用到的一些特殊模塊的學(xué)習(xí)快速鎖相環(huán) FPLL 和增強(qiáng)型鎖相環(huán)的學(xué)習(xí) EPLL。由此可以相控陣的延遲技術(shù)是設(shè)計(jì)超聲相控陣技術(shù)的核心，合理的設(shè)定延遲量，控制各個(gè)晶片發(fā)射超聲波的時(shí)序，使得整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到要求。近幾年來(lái)，在國(guó)外超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展中，超聲相控陣系統(tǒng)中的壓電還能晶片的質(zhì)量已經(jīng)得到了很大的提高，由于數(shù)字電路的快速發(fā)展，對(duì)超聲波的延遲時(shí)間的控制已經(jīng)可以達(dá)到納秒級(jí)別的精確控制。比如：對(duì)石油傳輸管道的檢測(cè)、火車車軸的檢測(cè)、核電站的檢測(cè)以及航空材料的檢測(cè) [4]。所以檢測(cè)的范圍十分廣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)十分復(fù)雜的物體進(jìn)行檢測(cè)，避免傳統(tǒng)檢測(cè)中存在的掃描盲區(qū)，提高了檢測(cè)的范圍，同時(shí)也確保了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和檢測(cè)的速率。在工業(yè)上，近幾年發(fā)展起來(lái)的超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為無(wú)損檢測(cè) 技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。 small delay。 本論文主 要對(duì)一下幾個(gè)模塊進(jìn)行論述：算法的實(shí)現(xiàn)模塊、掃描模塊、延遲模塊、波束合成模塊。 在整個(gè)超聲相控陣系統(tǒng)中，延遲聚焦算法是關(guān)鍵，提高延遲量的精度可以提高整個(gè)系統(tǒng)精度。在設(shè)計(jì)完電路之后還要完成相關(guān) PCB 電路板的制作，并要手工焊接所有的元器件和完成相關(guān)的測(cè)試、軟件和硬件調(diào)試任務(wù)，以達(dá)到較好的控制效果。 西 南 交 通 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 EP3SL150的 FPGA硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和延時(shí)細(xì)分算法與 FPGA 實(shí)現(xiàn) 年 級(jí) :20xx 級(jí)電訊三班 學(xué) 號(hào) :20xx3988 姓 名 :李棟 專 業(yè) :電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師：郭建強(qiáng) 20xx 年 6 月 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 班 級(jí) 電訊 20xx 03 班 學(xué)生姓名 李棟 學(xué) 號(hào) 20xx3988 發(fā)題日期 ： 20xx 年 11 月 20 日 完成日期： 20xx 年 6月 20 日 題 目 基于 EP3SL150 的 FPGA 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和延時(shí)細(xì)分算法與 FPGA 實(shí)現(xiàn) 本論文的目的、意義 ： 隨著 電 于技 術(shù) 和 計(jì) 算機(jī)技 術(shù) 的快速 發(fā) 展 ， 超聲相控 陣 技 術(shù)逐 漸應(yīng) 用于工 業(yè)無(wú)損檢測(cè) ， 近幾年，相聲相控 陣 技 術(shù)發(fā) 展尤 為 迅速，在相控 陣 系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 、系 統(tǒng) 仿真、生 產(chǎn) 與 測(cè)試 和 應(yīng) 用等方 面取得 一 系列 進(jìn) 展。在完成以上理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，還要開始著手 EDA 工具的學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)了解電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的理念及其優(yōu)勢(shì)，主要是理解電路 設(shè)計(jì)的思路和方法。從而為當(dāng)代復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備提供更好的無(wú)損評(píng)估。用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際要求，手動(dòng)的選擇粗延遲或細(xì)延遲。 ultrasonic phased array。對(duì)著超聲波技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷結(jié)合，從而已經(jīng)開始產(chǎn)生了很多不同的領(lǐng)域 。與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣有很多優(yōu)勢(shì)： 在超聲相控陣技術(shù)中，完成對(duì)波束的聚焦是通過(guò)控制各個(gè)壓電晶片發(fā)出超聲波的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而避免了對(duì)聲學(xué)透鏡的使用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)已在多個(gè)工業(yè)的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外無(wú)損檢測(cè)的研究熱點(diǎn)。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁(yè) 1． 3 本課題研究的內(nèi)容 在整個(gè)超聲相控陣技術(shù)中，如何控制各個(gè)晶片發(fā)射超聲波的時(shí)間是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，合理的控制超聲相控陣技術(shù)中的延遲技術(shù)使得合成的超聲波可以發(fā)生聚焦偏轉(zhuǎn)等特性是整個(gè)技術(shù)的核心內(nèi)容。所以本次課題通過(guò)多次調(diào)研，了解 FPGA 的特性，結(jié)合超聲相控陣技術(shù)的特點(diǎn)，利用 FPGA 平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)延遲細(xì)分算法，利用邏輯門陣列，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn) 16 通道的超聲相控陣的延遲電路，大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的集成度。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 第 2 章 超聲相控陣聚焦原理的概述 人類能夠聽到的聲音的頻率小于 20KHZ，當(dāng)聲音的頻率不在這個(gè)范圍的時(shí)候，人類的聽覺就失去了作用。超聲波的參量主要包括以下幾個(gè)部分“聲壓、聲強(qiáng)以及特征阻抗 [1]。 在超聲波的參數(shù)中，聲阻抗是最重要的，他是實(shí)現(xiàn) 利用超聲波進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的基礎(chǔ)。 圖 21 為波束偏轉(zhuǎn)聚焦的示意圖。并且要在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上盡可能得提高設(shè)計(jì)的精確度和使用的范圍。 StratixII 內(nèi)部提供了完整的時(shí)鐘管理模式，內(nèi)部運(yùn)行的時(shí)鐘最大可以達(dá)到 550M，內(nèi)部鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn) 12 種 相位時(shí)鐘。 在細(xì)延遲模塊中，我們需要產(chǎn)生 8 相位的時(shí)鐘輸出，而 FPGA 內(nèi)部集成的增強(qiáng)型鎖相環(huán)可以很方便的實(shí)現(xiàn)這種功能，并且輸出的結(jié)果具有很高的精度。 StratixII 內(nèi)部有 12個(gè)十分通用的鎖相環(huán)，并且其可以配置零延遲緩沖，地抖動(dòng)模式等其他模式。 增強(qiáng)型鎖相環(huán)： StratixII 設(shè)備包括了四個(gè)增強(qiáng)型的鎖相環(huán)，其可以進(jìn)行先進(jìn)的時(shí)鐘管理特性。鑒相器將增減控制信號(hào)輸入 到電荷垹中，根據(jù)電荷垹的輸出，電荷垹會(huì)進(jìn)行輸出電流的增加或者減少的。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的大小，我 們可以產(chǎn)生一系列相關(guān)的輸出時(shí)鐘信號(hào)。 各個(gè)信號(hào)代表的具體意義 ： M_clock ：觸發(fā)計(jì)數(shù)