【正文】 節(jié)方法，重點是模塊理論分析和編程思路。其中，自適 應 聚焦相控 陣技 術 尤 為 突出，它利用接收到的缺陷回波信息 調 整下一次激 發(fā)規(guī)則 ， 實現(xiàn)了 聲束的 優(yōu)化控制 ， 提高 缺陷的 檢 出率 。 論文各部分內容及時間分配：（共 15 周） 第一部分 調研課題的目的、意義和背景，學習相關基礎知識。本課題通過對超聲相控陣技術中的延遲細分法則的研究，最終實現(xiàn)兩種延遲模式，粗延遲和細延遲。在算法實現(xiàn)模塊，我們借助 FPGA 運行速度的優(yōu)勢，實現(xiàn)二進制的開方運算，傳統(tǒng)的二進制開方運算采用的是迭代的算法，使得整個算法的實現(xiàn)過程變得比較長。 focal law 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 VII 頁 目錄 摘要是否需要顯示 摘 要 ................................................................. IV Abstract ............................................................... V 第 1 章 緒論 ............................................................ 1 1． 1引言 ........................................................... 1 1． 2超聲相控陣無損檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................... 2 1． 2． 1國內超聲相控陣無損檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀 ..................... 2 1． 2． 2國外超聲相控陣無損檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀 ..................... 3 1． 3本課題研究的內容 ............................................... 4 1． 4本章小結 ....................................................... 5 第 2 章 超聲相控陣聚焦原理的概述 ........................................ 6 2． 1超聲波聲場基本概念 ............................................. 6 2． 2超聲相控陣的檢測原理 ........................................... 6 2． 2． 1超聲相控陣的組成 ......................................... 6 2． 2． 2超聲相控陣的聚焦法則 ..................................... 7 2． 3總結 ........................................................... 9 第 3 章 FPGA 的實現(xiàn) ..................................................... 10 3． 1 EP3SL150 的 FPGA 硬件 .......................................... 10 3． 1． 1 FPGA ................................................... 10 3． 1． 2 FPGA 內部鎖相環(huán) ......................................... 11 3． 2 相控陣的發(fā)射模塊 .............................................. 13 3． 3 掃描模塊的設計 ................................................ 16 3． 3． 1 偏轉角度的掃描 ......................................... 18 3． 3． 2 PO 值的掃描 ............................................. 21 3． 4 算法的實現(xiàn)模塊 ................................................ 24 3． 4． 1 聚焦算法的基本原理 ..................................... 24 3． 4． 2 算法的硬件實 現(xiàn)模塊 ..................................... 26 3． 5 延遲模塊 ...................................................... 30 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 VIII 頁 3． 5． 1 延遲譯碼模塊 ........................................... 30 3． 5． 2 延遲發(fā)射模塊 ........................................... 31 3． 6細延遲模塊 .................................................... 32 3． 6． 1 鎖相環(huán)模塊 ............................................. 33 3． 6． 2 時鐘產(chǎn)生模塊 ........................................... 34 3． 6． 3 延遲模塊 ............................................... 35 3． 6． 4 計算模塊 ............................................... 37 3． 7超聲相控陣發(fā)射頂層模塊 ........................................ 38 硬件仿真結果 ................................................... 40 3． 9本章小結 ...................................................... 42 結 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 利用物質的聲、光、電特性，在不損害物質的前提下，檢測 物質中是否存在缺陷，并且可以準確的給出缺陷的大小 ，位置。 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 ，可以靈活調整合成電磁波的輻射方向，從而完成在一定區(qū)域 的掃描。 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。由此我們可以看出超聲相控陣技術的應用前景是十分好的。 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。 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。 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。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。反而言之，如果介質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。聲阻抗表示了介質對超聲波的阻礙作用，所以對于不同的介質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中傳播的過程中會表現(xiàn)出不同的傳輸特性。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。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 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。 3． 1． 2 FPGA 內部鎖相環(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]。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。 FPGA 內部包括了很多部分確保整個系統(tǒng)的可靠性。環(huán)路濾波器可以濾除有電荷垹出來的短波干擾。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。這樣我們在一個周期內，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，自動轉換到下一個聚焦點上。圖 34 為發(fā)射控制模塊單個周期內的仿真時序圖。 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)。我們都知道偏轉角度數(shù)越小，超聲波的方向性就越好。 在 FPGA 內部，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角度，就需要對通道數(shù)目掃描 16 次。 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。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。加入緩存模塊除了可以保證