【正文】 可以達到的精度影響 整個相控陣的精度。在以往的很多設計中，延遲信息的實現(xiàn)是通過模擬開關進行控陣的，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。每一個邏輯數(shù)組模塊包括了 8 個自適應邏輯模塊。鎖相環(huán)的特點是可以實現(xiàn)信號頻率和相位的跟蹤。內(nèi)部的鎖相環(huán)可以被用來進行時鐘管理，支持復用功能，可以自定義的配置相移和占空比。 StratixII 在輸入?yún)⒖紩r鐘的上升沿通過鑒相器將信號反饋回來。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (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。時鐘的輸出電平可以支持很多種模式，用戶可以自動設定輸出時鐘對應的電平。如此重復就可以完成整個扇形掃描的全部過程。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (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。 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。在目前的工業(yè)和醫(yī)學上，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)一般選在 30176。時， cos_F 輸出為高電平，反之輸出為低電平。圖 310為通道數(shù)目掃描的頂層設計圖。我們設定的通道數(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。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。 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： 一個聚焦周期實際上就是對 i 值實現(xiàn)一個完整的掃描過程。當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。的時候，超聲波會出現(xiàn)波瓣，所以在工業(yè)檢測的應用中，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)一般小于 60176。表 31給出了地址與對應輸出的關系 ， 圖 36給出了掃描譯碼模塊的頂層設計圖， 圖 37給出了掃描譯碼模塊的仿真時序圖。從而保證整個系統(tǒng)的同步性。在本次課題的設計中我們假設掃描的最大焦距 H 為 7cm，而超聲波在鋼鐵中的傳輸西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 15 頁 速度 V 為 ，所以超聲波完成一次發(fā)射與接收的時間 [13]為： 2 * 2 * 0 .0 75900Ht v? ? ? = 所以發(fā)射超聲波頻率對應的周期應該大于，所以超聲波發(fā)射的重復頻率等于42khz，為了使得在一個周期內(nèi)完成對 16 通道掃描，計算以及延遲信息的加載，所以我們設定每個通道控制信號的重復頻率為 1khz。圖 31 是 FPGA 內(nèi)部增強型鎖相環(huán)的內(nèi)部框圖 圖 31 FPGA 內(nèi)部增強型鎖相環(huán) 六個輸出時鐘均可以用作外部時鐘的輸出端口，所以每一個計數(shù)器都可以對應著產(chǎn)生響應的頻率信號。環(huán)路濾波器將這些增減信號轉(zhuǎn)換為相應的電壓信號，作用于壓控振蕩器。鎖相 環(huán)的主要目的是為了保證內(nèi)部和外部的時鐘與輸入的參考時鐘保持相位和頻率的一致性。 StratixII 內(nèi)部包含兩種鎖相環(huán)，增強型鎖相環(huán)和快速鎖相環(huán)。 在本課題的設計中，我們外部采用的時鐘信號比較多， FPGA 內(nèi)部的時鐘管理模塊可以對這些時鐘進行很好的管理，避免時序的混亂。用戶可以對以前配置的 FPGA 通過數(shù)據(jù)流重新配置內(nèi)部寄存器 [10]。 綜上所述，在整個相控陣技術中，延遲聚焦算法是整個相控陣系統(tǒng)設計的核心，延遲量可以達到的精度，直接影響到整個相控陣的精度。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 TT圖 21 波束偏轉(zhuǎn)和聚焦的示意圖 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。聲阻抗值指的是在超聲波傳播的過程中，介質(zhì)內(nèi)任意一點的聲壓與超聲波傳播速度的比值。 在超聲波傳播的整個過程中，聲阻抗表明了介質(zhì)對超聲波的阻礙情況，對于不同的介質(zhì)其對超聲波產(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，判斷陪檢測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現(xiàn)該設計的基本方法，尤其是對延遲細分算法實現(xiàn)部分的研究 EP3SL150 的 FPGA 硬件電路系統(tǒng)設計，主要包括設計中用到的一些特殊模塊的學習快速鎖相環(huán) FPLL 和增強型鎖相環(huán)的學習 EPLL。由此可以相控陣的延遲技術是設計超聲相控陣技術的核心，合理的設定延遲量，控制各個晶片發(fā)射超聲波的時序，使得整個設計達到要求。近幾年來，在國外超聲相控陣技術的發(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，對超聲波的延遲時間的控制已經(jīng)可以達到納秒級別的精確控制。比如：對石油傳輸管道的檢測、火車車軸的檢測、核電站的檢測以及航空材料的檢測 [4]。所以檢測的范圍十分廣，可以實現(xiàn)對十分復雜的物體進行檢測，避免傳統(tǒng)檢測中存在的掃描盲區(qū)，提高了檢測的范圍，同時也確保了檢測結果的準確性和檢測的速率。在工業(yè)上，近幾年發(fā)展起來的超聲相控陣技術已經(jīng)發(fā)展成為無損檢測 技術中的研究熱點。 small delay。 本論文主 要對一下幾個模塊進行論述：算法的實現(xiàn)模塊、掃描模塊、延遲模塊、波束合成模塊。 在整個超聲相控陣系統(tǒng)中，延遲聚焦算法是關鍵，提高延遲量的精度可以提高整個系統(tǒng)精度。在設計完電路之后還要完成相關 PCB 電路板的制作，并要手工焊接所有的元器件和完成相關的測試、軟件和硬件調(diào)試任務，以達到較好的控制效果。 西 南 交 通 大 學 本科畢業(yè)設計（論文） 基于 EP3SL150的 FPGA硬件電路系統(tǒng)設計和延時細分算法與 FPGA 實現(xiàn) 年 級 :20xx 級電訊三班 學 號 :20xx3988 姓 名 :李棟 專 業(yè) :電子信息科學與技術 指導教師：郭建強 20xx 年 6 月 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 II 頁 畢業(yè)設計（論文）任務書 班 級 電訊 20xx 03 班 學生姓名 李棟 學 號 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)設計和延時細分算法與 FPGA 實現(xiàn) 本論文的目的、意義 ： 隨著 電 于技 術 和 計 算機技 術 的快速 發(fā) 展 ， 超聲相控 陣 技 術逐 漸應 用于工 業(yè)無損檢測 ， 近幾年，相聲相控 陣 技 術發(fā) 展尤 為 迅速，在相控 陣 系 統(tǒng)設計 、系 統(tǒng) 仿真、生 產(chǎn) 與 測試 和 應 用等方 面取得 一 系列 進 展。在完成以上理論學習的基礎上，還要開始著手 EDA 工具的學習，通過學習了解電子設計自動化的理念及其優(yōu)勢，主要是理解電路 設計的思路和方法。從而為當代復雜的工業(yè)設備提供更好的無損評估。用戶可以根據(jù)自己的實際要求，手動的選擇粗延遲或細延遲。 ultrasonic phased array。對著超聲波技術和現(xiàn)代科學技術的不斷結合，從而已經(jīng)開始產(chǎn)生了很多不同的領域 。與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術相比，超聲相控陣有很多優(yōu)勢： 在超聲相控陣技術中，完成對波束的聚焦是通過控制各個壓電晶片發(fā)出超聲波的時間來實現(xiàn)的，從而避免了對聲學透鏡的使用。隨著技術的不斷發(fā)展，超聲相控陣技術已在多個工業(yè)的無損檢測領域得到了應用。超聲相控陣技術已經(jīng)成為國外無損檢測的研究熱點。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 4 頁 1． 3 本課題研究的內(nèi)容 在整個超聲相控陣技術中，如何控制各個晶片發(fā)射超聲波的時間是這項技術的關鍵，合理的控制超聲相控陣技術中的延遲技術使得合成的超聲波可以發(fā)生聚焦偏轉(zhuǎn)等特性是整個技術的核心內(nèi)容。所以本次課題通過多次調(diào)研，了解 FPGA 的特性，結合超聲相控陣技術的特點，利用 FPGA 平臺，來實現(xiàn)整個延遲細分算法，利用邏輯門陣列，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬開關，從而實現(xiàn) 16 通道的超聲相控陣的延遲電路，大大增加了整個系統(tǒng)的集成度。 西南交通大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 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，當聲音的頻率不在這個范圍的時候，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部分“聲壓、聲強以及特征阻抗 [1]。 在超聲波的參數(shù)中，聲阻抗是最重要的，他是實現(xiàn) 利用超聲波進行無損檢測的基礎。 圖 21 為波束偏轉(zhuǎn)聚焦的示意圖。并且要在設計的基礎上盡可能得提高設計的精確度和使用的范圍。 StratixII 內(nèi)部提供了完整的時鐘管理模式，內(nèi)部運行的時鐘最大可以達到 550M，內(nèi)部鎖相環(huán)可以實現(xiàn) 12 種 相位時鐘。 在細延遲模塊中，我們需要產(chǎn)生 8 相位的時鐘輸出，而 FPGA 內(nèi)部集成的增強型鎖相環(huán)可以很方便的實現(xiàn)這種功能，并且輸出的結果具有很高的精度。 StratixII 內(nèi)部有 12個十分通用的鎖相環(huán)，并且其可以配置零延遲緩沖，地抖動模式等其他模式。 增強型鎖相環(huán)： StratixII 設備包括了四個增強型的鎖相環(huán)，其可以進行先進的時鐘管理特性。鑒相器將增減控制信號輸入 到電荷垹中，根據(jù)電荷垹的輸出，電荷垹會進行輸出電流的增加或者減少的。通過設計計數(shù)器的大小，我 們可以產(chǎn)生一系列相關的輸出時鐘信號。 各個信號代表的具體意義 ： M_clock ：觸發(fā)計數(shù)