【正文】 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)際情況來控制超聲波發(fā)射的周期。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。 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。 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。 圖 21 為波束偏轉(zhuǎn)聚焦的示意圖。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]。所以本次課題通過多次調(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。超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為國外無損檢測(cè)的研究熱點(diǎn)。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)波束的聚焦是通過控制各個(gè)壓電晶片發(fā)出超聲波的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，從而避免了對(duì)聲學(xué)透鏡的使用。 ultrasonic phased array。從而為當(dāng)代復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備提供更好的無損評(píng)估。 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 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。 small delay。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。近幾年來，在國外超聲相控陣技術(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。 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。 在超聲波傳播的整個(gè)過程中，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。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 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) 最終的聚焦過程。用戶可以對(duì)以前配置的 FPGA 通過數(shù)據(jù)流重新配置內(nèi)部寄存器 [10]。 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)。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。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 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。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。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。圖 311 為通道數(shù)目掃描的仿真圖。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。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。時(shí)， cos_F 輸出為高電平，反之輸出為低電平。 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。如此重復(fù)就可以完成整個(gè)扇形掃描的全部過程。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (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。內(nèi)部的鎖相環(huán)可以被用來進(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。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。 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)到的精度影響 整個(gè)相控陣的精度。 2． 2 超聲相控陣的檢測(cè)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(gè)探頭，每個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為聲能信號(hào)。 Modelsim 軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，確保整個(gè)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。目前已經(jīng)有公司 推出了全新的超聲相控陣的檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)扇形掃面，動(dòng)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。 超聲相控陣技術(shù)擁有聚焦特性，通過對(duì)各個(gè)換能器進(jìn)行一定的時(shí)序控制，使得每一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度，大大提高了檢測(cè)靈敏度。與傳統(tǒng)的有損檢測(cè)相比，有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)： 第一 ， 在整個(gè)檢測(cè)的過程中，其不會(huì)破壞被檢測(cè)物體；第二 ， 在必要的時(shí)候可以對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行 全方位的檢測(cè)，這個(gè)是有損檢測(cè)無法達(dá)到的；第三 ， 有損檢測(cè)針對(duì)的對(duì)象基本都是原材料，而無損檢測(cè)的對(duì)象可以是生產(chǎn)工藝中任何一個(gè)生 產(chǎn)環(huán)節(jié)。粗延遲是指發(fā)射脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間只能是延遲模塊的控制時(shí)鐘周期 的整數(shù)倍；在細(xì)延遲中我們可以對(duì)延遲模塊的控制時(shí)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。 “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)” 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 ) 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(duì)材料質(zhì)量的檢測(cè)要求也變得越來越高。 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 arr