【導(dǎo)讀】計(jì)、系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)與測試和應(yīng)用等方面取得一系列進(jìn)展。其中，自適應(yīng)聚焦相控陣?；刂?，提高缺陷的檢出率。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。在完成以上工作的基礎(chǔ)之上，再學(xué)習(xí)FPGA的相關(guān)知識(shí)，了解。FPGA的原理、工作過程、特色優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。接著需要學(xué)習(xí)VerilogHDL語言的。參數(shù)的調(diào)節(jié)方法，重點(diǎn)是模塊理論分析和編程思路。在設(shè)計(jì)完電路之后還要完成相關(guān)PCB電路板的制。較好的控制效果。件驗(yàn)收，系統(tǒng)測量驗(yàn)收，驗(yàn)收。無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢就是對材料實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的檢測。雜的工業(yè)設(shè)備提供更好的無損評估。粗延遲是指發(fā)射脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間只能是延。多相位的分頻，最終可以提高延遲模塊可以達(dá)到的精度。并且在modelsim上對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。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。在算法實(shí)現(xiàn)模塊，我們借助FPGA運(yùn)行速度的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的。本課題模擬二進(jìn)制開方手算的過程，利用FPGA內(nèi)部的乘法器硬核實(shí)?，F(xiàn)二進(jìn)制開方運(yùn)算。

　　

【正文】 片到聚焦點(diǎn)位置 PO 的掃描。系統(tǒng)通過自動(dòng)對這些參數(shù)進(jìn)行不斷的改變，便可以得到各個(gè)通道延遲信息的大小，最終完成整個(gè)扇形掃面系統(tǒng) [14]。 掃描模塊主要包 括：掃描譯碼、通道數(shù)目 i 的掃描、偏轉(zhuǎn)角度的掃面、聚焦半徑的掃描。圖 35 是整個(gè)掃描模塊的頂層設(shè)計(jì)圖。 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 下面將對各個(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 32 位數(shù)據(jù)總線和四位地址總線傳來的數(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。表 31給出了地址與對應(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。 表 31 地址與輸出關(guān)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(jìn)值 (PO_r) 0100 超聲波的波速 (v_out) 0101 圖 36 掃描模塊的頂層設(shè)計(jì)圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 18 頁 圖 37 掃描譯碼模塊的仿真時(shí)序 由仿真結(jié)果我們可以得出，當(dāng)復(fù)位信號有效的時(shí)候，譯碼模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為0，即此時(shí)不需要進(jìn)行后續(xù)模塊的計(jì)算，當(dāng)寫信號有效的時(shí)候，在時(shí)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(yīng)的通道，并且此時(shí) PO_WR 信號有效，該信號在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，會(huì)失效，即該信號控制后續(xù)的計(jì)算模塊時(shí)候接受前級傳入的數(shù)據(jù)。 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。譯碼模塊根據(jù)傳入進(jìn)來的地址，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。 3． 3． 1 偏轉(zhuǎn)角度的掃描 該模塊主要完成三個(gè)功能：當(dāng)完成一段弧度的掃描之后使能 PO 的掃描、進(jìn)行扇形掃描中對偏轉(zhuǎn)角度的掃描、輸出 cos_F 信號判斷輸出的角度是大于 90176。還是小于 90176。圖 38 為偏轉(zhuǎn)角度掃描的頂層圖。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁 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。的時(shí)候，超聲波會(huì)出現(xiàn)波瓣，所以在工業(yè)檢測的應(yīng)用中，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)一般小于 60176。，我們都知道偏轉(zhuǎn)角度數(shù)越小，超聲波的方向性就越好。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。，這樣既能滿足要求，又可以增加超聲波的方向性 [15]。在本課題中，我們采用的是扇形掃描，我們以相控陣的中心晶片為圓心，以中心晶片到聚焦點(diǎn)的距離為半徑，偏轉(zhuǎn)角度數(shù)范圍為 60176。到 120176。，實(shí)現(xiàn)一段弧度的掃描過程。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。，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。 在 FPGA 內(nèi)部，無法進(jìn)行負(fù)數(shù)的運(yùn)算，對于互補(bǔ)的兩個(gè)角度，其余弦值對應(yīng)的絕對值是一樣的，因此為了區(qū)分該角度和其補(bǔ)角的關(guān)系我們設(shè)定一個(gè)輸出端口，當(dāng)角度大于 90176。時(shí)， cos_F 輸出為高電平，反之輸出為低電平。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，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。我們設(shè)定的掃描角度總工有 20 個(gè)，當(dāng)一段角度掃西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 20 頁 描完成之后， PO_en，信號有效，此時(shí)便可以進(jìn)行 PO 數(shù)值的掃描。在進(jìn)行一個(gè)完整的角度掃描時(shí)，標(biāo)志位信號會(huì)在不同的角度范圍內(nèi)給出不同的標(biāo)志位，從圖中我們可以得到，掃描角度小于 90176。，標(biāo)志位信號為低電平，當(dāng)掃描角度大于 90176。，標(biāo)志位信號給出高電平，這樣我們通過比較標(biāo)志位信號，就可以進(jìn)行區(qū)域選擇的判斷。 通道數(shù)目的掃描： 一個(gè)聚焦周期實(shí)際上就是對 i 值實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的掃描過程。在每一次的聚焦過程中，我們都必須對 i值進(jìn)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(shù)，所以在給定一個(gè)聚焦半徑和偏轉(zhuǎn)角度，就需要對通道數(shù)目掃描 16 次。圖 310為通道數(shù)目掃描的頂層設(shè)計(jì)圖。 圖 310 通道數(shù)掃描的頂層模塊 在本次設(shè)計(jì)中我們對通道數(shù)目的掃描采用順序賦值的方式。我們令中心晶片為原點(diǎn)，左右兩個(gè)各有 8 中 i的取值，最小為 0 最大為 7,。類似的我們設(shè)置一個(gè)輸出端口 F，當(dāng)晶片處于中心晶片左邊的時(shí)候， F 輸出為高電平，反之 F 輸出為低電平。 掃描的時(shí)鐘信號為 50mhz的系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)全局使能信號和 scan_n_en 信號均有效的時(shí)候，開始進(jìn)行通道數(shù)的掃描。由仿真結(jié)果我們可以知道，沒當(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。圖 311 為通道數(shù)目掃描的仿真圖。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21 頁 圖 311 通道數(shù)目掃描的仿真圖 由仿真結(jié)果可以看出來，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。我們設(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，如果掃描信號有效，就繼續(xù)進(jìn)行掃描。 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)使能信號來臨的時(shí)候， PO 的數(shù)值總是在其原有的基礎(chǔ)上加上 PO_r。 PO大小指的就是當(dāng)掃面的角度為 0 時(shí)，中心晶片達(dá)到聚焦位置的焦距半徑。圖 312給出了聚焦半徑掃描模塊的頂層圖，圖 313 給出了聚焦半徑掃描的仿真圖。 圖 312 聚焦半徑掃描的頂層圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22 頁 圖 313 聚焦半徑掃描的仿真圖 由仿真結(jié)果 我們可以知道，每當(dāng) PO_en 信號有效的時(shí)候， PO 的數(shù)值就在原來的基礎(chǔ)上增加 PO_r，當(dāng) PO 大于 PO_max 的時(shí)候，輸出 scan_stop 信號。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。 區(qū)域選擇： 在前面我們已經(jīng)提到過了，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值也是一樣的，所以他們在整個(gè)無符號的計(jì)算過程中會(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。為了區(qū)分這種情況，我 們設(shè)定一個(gè)輸出信號 F_out，我們設(shè)當(dāng) 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。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。 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 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 由仿真圖，我們可以看出，在寫信號的控制下，模塊先將對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給不同的端口，當(dāng)收到收據(jù)之后，掃描模塊開始進(jìn)行掃描過程，整個(gè)掃描過程分為三個(gè)循環(huán)的過程，速度最快的是對于通道數(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)完整的過程之后，在 PO_en 信號的使能下， 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． 4 算法的實(shí)現(xiàn)模塊 算法實(shí)現(xiàn)模塊式整個(gè)超聲相控陣聚焦系 統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)算的核心部分，該部分接受前面?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)，在其內(nèi)部進(jìn)行一系列的運(yùn)算處理，最終輸出準(zhǔn)確的延遲信息。超聲相控陣的偏轉(zhuǎn)聚焦等特性都是由這一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行控制的。 在前面的設(shè)計(jì)中，掃描模塊中采用的時(shí)鐘信號為頻率為 50MHZ 的主時(shí)鐘信號，但是在運(yùn)算模塊中我們采用的是 FPGA 內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生的 10MHZ 的時(shí)鐘作為運(yùn)算時(shí)鐘，所以為了保證掃描模塊和運(yùn)算模塊之間的數(shù)據(jù)保持同步，我們在設(shè)計(jì)中采用兩級緩存 [17]。 第一級緩存采用的時(shí)鐘和掃描模塊中的時(shí)鐘信號保持一致，當(dāng)緩存模塊接收到算法寫信號的時(shí)候，便開始向第一級緩存中加入通 過掃描模塊得到的數(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，第一級緩存中的數(shù)據(jù)，就在時(shí)鐘的作用下開始存放到第二級緩存模塊中。第二級緩存模塊的時(shí)鐘要保持和算法的計(jì)算模塊的時(shí)鐘信號一致。加入緩存模塊除了可