【正文】 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。 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。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。 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。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 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。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。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。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。這樣既能滿足要求，又可以增加超聲波的方向性 [15]。 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。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。 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。 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。在整個(gè)掃描的過程中，延遲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加載信號會一直保持有效，當(dāng)完成一次聚焦之后，延遲數(shù)據(jù)的輸出信號有效， 16 個(gè)通道按照響應(yīng)的延遲信息輸出脈沖波形。圖 33 為發(fā)射控制模塊的仿真時(shí)序圖。 各個(gè)信號代表的具體意義 ： M_clock ：觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信 號 Reset :復(fù)位信號，當(dāng)該信號為高電平時(shí)，各輸出信號均為無效狀態(tài) HLT ：全局等待信號，當(dāng)該信號為高電平時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入等待模式 Scan_st ：全局掃描控制信號，當(dāng)該信號為高電平的時(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 對發(fā)射控制模塊參數(shù)的選擇： 在發(fā)射超聲波信號的時(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。當(dāng)沒有使能鎖相環(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。通過設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器的大小，我 們可以產(chǎn)生一系列相關(guān)的輸出時(shí)鐘信號。 VCO 實(shí)現(xiàn)了四級差分回路晶振。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(jìn)行輸出電流的增加或者減少的。設(shè)定占空比的參數(shù)可以改變時(shí)鐘的下降沿。 增強(qiáng)型鎖相環(huán)： StratixII 設(shè)備包括了四個(gè)增強(qiáng)型的鎖相環(huán)，其可以進(jìn)行先進(jìn)的時(shí)鐘管理特性。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，進(jìn)行時(shí)鐘功率譜的拓展，并且可以進(jìn)行鎖相環(huán)的多級級聯(lián)模式。 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。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 ，鑒相器通過比較輸入信號和反饋信號的頻率和相位，并且將信號的差值轉(zhuǎn)換為電壓值；環(huán)路濾波器通過濾除電壓信號攜帶的一些文波和噪音，將電壓信號變?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)輸出信號和輸入信號的頻率相等、相位差保持恒定。 在細(xì)延遲模塊中，我們需要產(chǎn)生 8 相位的時(shí)鐘輸出，而 FPGA 內(nèi)部集成的增強(qiáng)型鎖相環(huán)可以很方便的實(shí)現(xiàn)這種功能，并且輸出的結(jié)果具有很高的精度。 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。 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。 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，本課題通過在 FPGA 實(shí)現(xiàn)相控陣系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)意義上的模擬開關(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２⑶乙谠O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上盡可能得提高設(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖 21 為波束偏轉(zhuǎn)聚焦的示意圖。所以我們就可以通過接受相控陣發(fā)射出來的超聲波的回波來判斷被檢測物體中 是否存在缺陷。 在超聲波的參數(shù)中，聲阻抗是最重要的，他是實(shí)現(xiàn) 利用超聲波進(jìn)行無損檢測的基礎(chǔ)。它是超聲相控陣檢測系統(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)相控陣檢測的精度和檢測的準(zhǔn)確性。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]。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發(fā)生發(fā)射，折射，在空間超聲波會相互之間干擾形成疊加效應(yīng)等特性。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(dāng)聲音的頻率不在這個(gè)范圍的時(shí)候，人類的聽覺就失去了作用。 FPGA 里面，利用軟件集成的邏輯分析儀，對硬件電路的測試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保程序的實(shí)際可操作性。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，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。下位機(jī)在控制信號的作用下，接收由計(jì)算機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)，控制模擬多路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道的延遲。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁 1． 3 本課題研究的內(nèi)容 在整個(gè)超聲相控陣技術(shù)中，如何控制各個(gè)晶片發(fā)射超聲波的時(shí)間是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，合理的控制超聲相控陣技術(shù)中的延遲技術(shù)使得合成的超聲波可以發(fā)生聚焦偏轉(zhuǎn)等特性是整個(gè)技術(shù)的核心內(nèi)容。麻省理工學(xué)院研究出來的超聲相控陣檢測技術(shù)可以對混凝土進(jìn)行檢測，并且可以判斷混凝土中鋼筋的具體位置以及走向。超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為國外無損檢測的研究熱點(diǎn)。 國內(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 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 。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)已在多個(gè)工業(yè)的無損檢測領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 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，所以可以通過對這些參數(shù)的不斷優(yōu)化，提高整套檢測系統(tǒng)的可靠性以及檢測精度，同時(shí)還可以減少檢測的盲區(qū)。與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)相比，超聲相控陣有很多優(yōu)勢： 在超聲相控陣技術(shù)中，完成對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，從而避免了對聲學(xué)透鏡的使用。 超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)有了 20多年的發(fā)展歷史 [2]。對著超聲波技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷結(jié)合，從而已經(jīng)開始產(chǎn)生了很多不同的領(lǐng)域 。無損檢測是現(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，而超聲檢測更是無損檢測技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的。 ultrasonic phased array。 在整個(gè)課題的設(shè)計(jì)過程中，我們利用 FPGA 內(nèi)部集成的硬件乘法器，利用內(nèi)部