基于FPGA超聲相控陣檢測設(shè)備的研究.pdf

1、超聲相控陣檢測技術(shù)(UPA)是一種先進(jìn)的超聲無損檢測技術(shù)，通過對陣列換能器中各陣元進(jìn)行相位控制，獲得靈活可控的合成波束，并可動態(tài)控制聚焦點(diǎn)的位置，具有動態(tài)聚焦、電子掃查等特性，可提高檢測靈敏度、分辨力和信噪比等。相控陣檢測技術(shù)已經(jīng)成為無損檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，全數(shù)字相控陣系統(tǒng)更是未來的方向。
　　由于FPGA的高集成度和強(qiáng)大的可編程邏輯功能，逐漸成為數(shù)字式相控陣系統(tǒng)搭建的主流方向。本研究基于 FPGA對超聲相控陣檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，

2、主要研究內(nèi)容是相控高精度發(fā)射問題，數(shù)字信號接收問題和數(shù)字信號傳輸高速化問題。
　　首先，對發(fā)射精度進(jìn)行了理論分析，要使系統(tǒng)分辨率提高，延時控制的精度就必須要增加，選擇了CPLD和高壓數(shù)字脈沖發(fā)生器MAX4940來提高延時精度。對動態(tài)聚焦、動態(tài)可變孔徑、動態(tài)變跡和數(shù)字聲束形成等多種相控接收技術(shù)進(jìn)行了理論分析，因?yàn)閿?shù)字聲束合成的穩(wěn)定性較好，精度較高，可以提高合成質(zhì)量，選擇了數(shù)字聲束形成技術(shù)構(gòu)成接收系統(tǒng)，又因 FPGA內(nèi)部利用并行處理技

3、術(shù)與流水線技術(shù)可以比較容易地實(shí)現(xiàn)多聲束合成，選擇 FPGA作為相控接收的主控制器并使用PCIE接口提高數(shù)據(jù)吞吐率。
　　接著，對超聲相控陣檢測系統(tǒng)的組成及關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，發(fā)射單元采用多個獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，由上位機(jī)軟件設(shè)置的時序經(jīng)由 CPLD控制激發(fā)各個晶片，控制發(fā)射聲束的焦點(diǎn)位置和掃查方向；接收模塊由 SPI接口控制各個芯片功能，信號經(jīng)電壓隔離，放大，濾波處理并轉(zhuǎn)換為LVDS信號進(jìn)入FPGA。通過FPGA控制數(shù)據(jù)經(jīng)PCI

4、E接口流入上位機(jī)，上位機(jī)對最后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
　　然后，對各個部分進(jìn)行了仿真和實(shí)測：實(shí)測了電源的實(shí)際電壓，驗(yàn)證了發(fā)射時序的仿真，實(shí)測了發(fā)射部分的脈沖發(fā)射，驗(yàn)證了基于 FPGA接收部分 SPI接口的仿真，實(shí)測了接收部分放大、濾波等功能，實(shí)測了PCIE接口的高速傳輸。
　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：發(fā)射部分最窄的脈寬可達(dá)到25ns，延時精度達(dá)130 ns，最高可以支持主頻為20MHz的換能器，發(fā)射電壓可達(dá)300V。接收處理部分，以80MS