基于FPGA的相控陣超聲操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、眾所周知，超聲駐波能使質(zhì)量較輕的小顆粒駐留在它的的聲壓節(jié)點(diǎn)處，因此能夠通過有規(guī)律地移動(dòng)聲壓節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物體的操控。在傳統(tǒng)一維聲操控系統(tǒng)的研究中，超聲波束的聲軸與懸浮顆粒的重力方向平行,通過控制超聲波探頭發(fā)射超聲波的相位或頻率的方式，可以沿著固定聲軸對(duì)懸浮物體進(jìn)行操控。
　　論文提出了一種基于FPGA的相控陣超聲操控系統(tǒng)新設(shè)計(jì)方案，在三維空間空氣中對(duì)超聲駐波懸浮操控進(jìn)行研究。利用四塊相控陣探頭板構(gòu)成操控的三維空間環(huán)境，并且在三維

2、空間中產(chǎn)生一個(gè)超聲聚焦點(diǎn)，同時(shí)利用兩兩相對(duì)放置的探頭板來產(chǎn)生超聲駐波，則在超聲聚焦點(diǎn)附近的駐波節(jié)點(diǎn)將具有足夠的聲場(chǎng)輻射力來平衡放入三維空間中的小顆粒的重力，從而達(dá)到對(duì)空中小顆粒的捕獲目的。然后讓由四塊相控陣產(chǎn)生的超聲聚焦點(diǎn)隨著駐波節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而移動(dòng)進(jìn)而就能保證穩(wěn)定、可靠第操控捕獲到的小顆粒。新方案設(shè)計(jì)的超聲駐波懸浮操控系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn)，一是能在三維空間任意位置處產(chǎn)生超聲駐波且波束的方向是任意的；另一個(gè)是超聲聚焦點(diǎn)跟隨駐波節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，保證節(jié)點(diǎn)處

3、聲壓的穩(wěn)定。論文研究的超聲波頻率是40KHz，操控的環(huán)境是三維空間空氣中。
　　首先，論文分析了超聲駐波懸浮操控的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)到要進(jìn)行相控陣超聲操控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，必須對(duì)相控陣超聲發(fā)射聚焦和相控陣超聲駐波懸浮原理有很好的掌握，故論文首先對(duì)相控陣超聲駐波懸浮機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了一定體積聚氯乙烯小球在與其重力平行方向上的受力情況。
　　其次，論文提出了相控陣超聲操控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括USB3.0轉(zhuǎn)FPGA接口板

4、方案、驅(qū)動(dòng)板方案、探頭板方案和ACDC電源方案。并根據(jù)方案利用Cadence軟件完成了硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最重要的是對(duì)驅(qū)動(dòng)板上驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。為后續(xù)驗(yàn)證基于新方案系統(tǒng)的超聲操控性能搭建起了硬件平臺(tái)。
　　接著，設(shè)計(jì)并完成了系統(tǒng)兩個(gè)主要部分的FPGA設(shè)計(jì)，包括焦點(diǎn)坐標(biāo)模塊和延遲發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)與部分仿真，并利用ComSol5.0軟件對(duì)三維聲場(chǎng)進(jìn)行了仿真與分析。
　　最后，對(duì)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)單元電路進(jìn)行了測(cè)試與分析，并搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)