【正文】 器計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信 號(hào) Reset :復(fù)位信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，各輸出信號(hào)均為無(wú)效狀態(tài) HLT ：全局等待信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入等待模式 Scan_st ：全局掃描控制信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)為高電平的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)入正常的扇形掃描模式 Scan_n ：使能通道掃描模塊，當(dāng)該信號(hào)有效的時(shí)候，通道掃描模塊使能 Scan_cos ：使能偏轉(zhuǎn)角度掃面模塊，當(dāng)該信號(hào)有效的時(shí)候，偏轉(zhuǎn)角度掃描模塊使能 Count_wr ：加載數(shù)據(jù)到算法實(shí)現(xiàn)模塊 Count_st：開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算，即對(duì)加入到算法實(shí)現(xiàn)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ，得到最終的延遲信息 Delay_wr: 當(dāng)該信號(hào)有效的時(shí)候，將延遲信息加載到延遲模塊 Delay_st: 當(dāng)該信號(hào)有效的時(shí)候，將加載到延遲模塊的數(shù)據(jù)一次傳到各個(gè)通道中，最終數(shù)據(jù)延遲脈沖 對(duì)發(fā)射控制模塊參數(shù)的選擇： 在發(fā)射超聲波信號(hào)的時(shí)候，為了避免超聲波在第二次發(fā)射的過(guò)程中與在第一次發(fā)射的超聲波發(fā)生重疊，所以我們必須要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)控制超聲波發(fā)射的周期。在整個(gè)掃描的過(guò)程中，延遲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加載信號(hào)會(huì)一直保持有效，當(dāng)完成一次聚焦之后，延遲數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)有效， 16 個(gè)通道按照響應(yīng)的延遲信息輸出脈沖波形。 圖 35 掃描模塊的頂層設(shè)計(jì) 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 17 頁(yè) 下面將對(duì)各個(gè)模塊的具體功能進(jìn)行描述： 掃描譯碼： 該模塊主要是接受外部通過(guò) 32 位數(shù)據(jù)總線和四位地址總線傳來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)地址總線的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為掃面模塊需要的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給其他各個(gè)模塊。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁(yè) 圖 38 偏轉(zhuǎn)角度掃描的頂層圖 根據(jù)相關(guān)的研究表明，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度大于 75176。具體的工作方式如下： 首先給出一個(gè)聚焦半徑，圍繞該半徑實(shí)現(xiàn)一段弧度的掃描，每次掃描角度的增量為 3176。標(biāo)志位信號(hào)給出高電平，這樣我們通過(guò)比較標(biāo)志位信號(hào)，就可以進(jìn)行區(qū)域選擇的判斷。由仿真結(jié)果我們可以知道，沒(méi)當(dāng) scan_n_cos 使能一次通道數(shù)目就會(huì)增加一次，每當(dāng) n_addr 由 0 增加到 7 的時(shí)候， F_n 的輸出都會(huì)發(fā)生一次去翻過(guò)程，輸出 channel_addr 表示的是具體的通道數(shù)目，在本次可提取其取值為 1 到 16。當(dāng)全局變量失效的情況下，掃描模塊進(jìn)入停止工作模式。 第一級(jí)緩存采用的時(shí)鐘和掃描模塊中的時(shí)鐘信號(hào)保持一致，當(dāng)緩存模塊接收到算法寫(xiě)信號(hào)的時(shí)候，便開(kāi)始向第一級(jí)緩存中加入通 過(guò)掃描模塊得到的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)加載完成之后，如果接收到發(fā)射控制模塊發(fā)射的 count_st 信號(hào)，第一級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)，就在時(shí)鐘的作用下開(kāi)始存放到第二級(jí)緩存模塊中。 圖 314 區(qū)域選擇的頂層模塊圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23 頁(yè) 圖 315 區(qū)域選擇模塊的仿真圖 由仿真結(jié)果我們可以看出當(dāng) cos_F、 F_n 均為 0 或者均為 1 的時(shí)候，輸出 F_out為 0，反之輸出 F_out 為 1 圖 316 為掃描模塊的額內(nèi)部連接圖，圖 317 為在發(fā)射控制模塊的作用下，各個(gè)掃描模塊進(jìn)行掃描的仿真圖 圖 316 掃描模塊的內(nèi)部模塊連接 圖 317 掃描頂層模塊的仿真圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24 頁(yè) 由仿真圖，我們可以看出，在寫(xiě)信號(hào)的控制下，模塊先將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給不同的端口，當(dāng)收到收據(jù)之后，掃描模塊開(kāi)始進(jìn)行掃描過(guò)程，整個(gè)掃描過(guò)程分為三個(gè)循環(huán)的過(guò)程，速度最快的是對(duì)于通道數(shù)目的掃描，當(dāng)通道數(shù)目完成一整個(gè)掃描過(guò)程，角度的掃描才會(huì)在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)加一，而當(dāng)角度掃描完成一個(gè)完整的過(guò)程之后，在 PO_en 信號(hào)的使能下， PO 模塊才進(jìn)入到掃描狀態(tài)，而 PO 的初始值，就是我們預(yù)先設(shè)定的數(shù)值大小。 3． 3． 2 PO 值的掃描 該模塊主要是由一個(gè)加法器構(gòu)成的，當(dāng) PO 的大小，在我們給定的范圍內(nèi)的時(shí)候，每當(dāng)使能信號(hào)來(lái)臨的時(shí)候， PO 的數(shù)值總是在其原有的基礎(chǔ)上加上 PO_r。 圖 310 通道數(shù)掃描的頂層模塊 在本次設(shè)計(jì)中我們對(duì)通道數(shù)目的掃描采用順序賦值的方式。圖 39 給出了偏轉(zhuǎn)角度的時(shí)序仿真圖 圖 39 偏轉(zhuǎn)角度的時(shí)序仿真圖 由仿真結(jié)果可以看出來(lái)，當(dāng) HLT 有效的時(shí)候，掃描模塊進(jìn)入等待狀態(tài)，也就是維持先前的計(jì)數(shù)狀態(tài)保持 不變。這樣既能滿足要求，又可以增加超聲波的方向性 [15]。譯碼模塊根據(jù)傳入進(jìn)來(lái)的地址，將這些數(shù)據(jù)翻譯成為掃描模塊需要的數(shù)據(jù)，最終輸出給其他模塊。 根據(jù)前面的計(jì)算公式： 其中 d 表示的是相控陣系統(tǒng)中相鄰晶片之間的距離，是一個(gè)常數(shù)； v 表示的是超聲波在鋼鐵中傳播的速度，也是一個(gè)常數(shù)；所以整個(gè)掃描系統(tǒng)主要掃描的參數(shù)包括：各個(gè)通道 i 值得掃描、偏轉(zhuǎn)角度的掃描、中心晶片到聚焦點(diǎn)位置 PO 的掃描。圖 33 為發(fā)射控制模塊的仿真時(shí)序圖。當(dāng)沒(méi)有使能鎖相環(huán)功能的時(shí)候，這些鎖相環(huán)的端口可以被用作普通的 I/O 端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。 VCO 實(shí)現(xiàn)了四級(jí)差分回路晶振。設(shè)定占空比的參數(shù)可以改變時(shí)鐘的下降沿。另外增強(qiáng)型鎖相環(huán)可以支持外部時(shí)鐘作為反饋信號(hào)，進(jìn)行時(shí)鐘功率譜的拓展，并且可以進(jìn)行鎖相環(huán)的多級(jí)級(jí)聯(lián)模式。鎖相環(huán)包括三個(gè)部分：鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器器 ，鑒相器通過(guò)比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的頻率和相位，并且將信號(hào)的差值轉(zhuǎn)換為電壓值；環(huán)路濾波器通過(guò)濾除電壓信號(hào)攜帶的一些文波和噪音，將電壓信號(hào)變?yōu)榉€(wěn)定的電平值；產(chǎn)生的電平值控制壓控振蕩器的輸出頻率和相位，最終實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的頻率相等、相位差保持恒定。 ALM 是 StratixII系列 FPGA 的基本邏輯設(shè)計(jì)模塊，提高了用戶邏輯功能實(shí)現(xiàn)的效率。 FPGA是專門 處理數(shù)字電路，可 具有 很強(qiáng)大的邏輯功能，并且芯片的集成度很高，本課題通過(guò)在 FPGA 實(shí)現(xiàn)相控陣系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)意義上的模擬開(kāi)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Ｖ挥写_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(dá)到設(shè)計(jì)要求。所以我們就可以通過(guò)接受相控陣發(fā)射出來(lái)的超聲波的回波來(lái)判斷被檢測(cè)物體中 是否存在缺陷。它是超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)中的最主要的部分，晶片的靈敏度的提高可以提高整個(gè)相控陣檢測(cè)的精度和檢測(cè)的準(zhǔn)確性。超聲相控陣技術(shù)中，主要利用的是超聲波在空間傳播中會(huì)發(fā)生發(fā)射，折射，在空間超聲波會(huì)相互之間干擾形成疊加效應(yīng)等特性。 FPGA 里面，利用軟件集成的邏輯分析儀，對(duì)硬件電路的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保程序的實(shí)際可操作性。下位機(jī)在控制信號(hào)的作用下，接收由計(jì)算機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)，控制模擬多路開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道的延遲。麻省理工學(xué)院研究出來(lái)的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)混凝土進(jìn)行檢測(cè)，并且可以判斷混凝土中鋼筋的具體位置以及走向。 國(guó)內(nèi) 已經(jīng)出現(xiàn)了很多的研西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁(yè) 究超聲相控陣的機(jī)構(gòu)，其中就包含許多高校，比如：清華大學(xué)，上海交通大學(xué)， 等一些知名高校和研究所對(duì)相控陣系統(tǒng)中的自適應(yīng)聚焦和相控陣的延遲技術(shù)方面都做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究 。 在超聲相控陣技術(shù)中，聚焦的偏轉(zhuǎn)角度、聚焦半徑的增量等這些重要的參數(shù)都是可以自定義的，所以可以通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的不斷優(yōu)化，提高整套檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性以及檢測(cè)精度，同時(shí)還可以減少檢測(cè)的盲區(qū)。 超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)有了 20多年的發(fā)展歷史 [2]。無(wú)損檢測(cè)是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)重要分支，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得 到了十分廣泛的應(yīng)用，而超聲檢測(cè)更是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的。 在整個(gè)課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們利用 FPGA 內(nèi)部集成的硬件乘法器，利用內(nèi)部集成的增強(qiáng)型的鎖相環(huán)和快速鎖相環(huán)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻和分頻，產(chǎn)生我們?cè)O(shè)計(jì)所需要的相關(guān)時(shí)鐘信號(hào)。 FPGA 內(nèi)部集成的增強(qiáng)型鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)多相位時(shí)鐘信號(hào)，利用這些多相位的時(shí)鐘信號(hào)，我們可以將延遲量的精度提高。 (3周 ) 第四部分 軟件編程、調(diào)試，電路設(shè)計(jì)、仿真，硬件電路的 調(diào)試、驗(yàn)收，測(cè)量方案制定，軟件聯(lián)調(diào)，硬件聯(lián)調(diào)、軟件和硬件配合調(diào) 試、聯(lián)調(diào)，軟件驗(yàn)收、硬件驗(yàn)收，系統(tǒng)測(cè)量驗(yàn)收，驗(yàn)收。 “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)”是超聲相控陣技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò) Verilog HDL硬件語(yǔ)言描述算法，進(jìn)而在 FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)功能。 學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)： 首先查閱相關(guān) 的資料，了解“基于 EP3SL150 的 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的原理、結(jié)構(gòu)、組成，進(jìn)而學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，了解電路原理，并了解設(shè)計(jì)思想和仿真原理和過(guò)程。 (3 周 ) 第五部分 撰寫(xiě)軟件設(shè)計(jì)操作文檔，硬件文檔，軟件規(guī)范化、硬件規(guī)范化；設(shè)計(jì)歸檔，撰寫(xiě)論文初稿，導(dǎo)師審查，知 識(shí)產(chǎn)權(quán)審查，修稿，導(dǎo)師審查， (3 周 ) 評(píng)閱及答辯： 提交學(xué)院審查、評(píng)閱，撰寫(xiě) PPT 報(bào)告， 答辯，提交 論文 ，歸檔畢業(yè)設(shè)計(jì)文檔。本設(shè)計(jì)是基于 FPGA 平臺(tái)，巧妙地借助 FPGA 內(nèi)部集成的增強(qiáng)型鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)延遲細(xì)分算法的硬件電路。這樣可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期，并且可以提高設(shè)計(jì) 的準(zhǔn)確性。 自十九世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)之后 [1]，人們開(kāi)始利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生控制超聲波，從而迅速推 廣了超聲波的發(fā)展史。初期主要是應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)中，用相控陣換能器的快速移動(dòng)聲束，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)物體的成像功能。 近幾年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)得到了很快地發(fā)展，在 世界無(wú)損檢測(cè)的會(huì)議當(dāng)中，關(guān)于超聲相控陣技術(shù)的文章也變得越來(lái)越多 [3]。 國(guó)外超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展初期是為了應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上，最早是為了實(shí)現(xiàn)診斷和治療，主要是向人體發(fā)射超聲波，并接收超聲波，來(lái)獲得人體組織的一些信息，從而對(duì)患者進(jìn)行診斷，此方法實(shí)施起來(lái)比較簡(jiǎn)單，并且得到的圖像也比較清楚，所以得到了很快的發(fā) 展。英國(guó)推出了一款超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)用電池供電，這種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 32 路壓電晶片同時(shí)激發(fā)，并且能夠很好的接受到回波信號(hào)，針對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析，最終產(chǎn)生完整的檢測(cè)分析報(bào)告。在這個(gè)系統(tǒng)中延遲量是通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的，所以整個(gè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)電路比較復(fù)雜，從而使得系統(tǒng)的集成度降低。 其中論文 中對(duì)利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)模塊的部分作為本次論文說(shuō)明的中心。利用超聲波在不同介質(zhì)中會(huì)形成不同的傳播特性是利用超聲相控