基于FPGA超聲相控陣檢測設備的研究.pdf

1、超聲相控陣檢測技術(UPA)是一種先進的超聲無損檢測技術，通過對陣列換能器中各陣元進行相位控制，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。相控陣檢測技術已經成為無損檢測領域的研究熱點，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)進行了研究，

2、主要研究內容是相控高精度發(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進行了理論分析，因為數(shù)字聲束合成的穩(wěn)定性較好，精度較高，可以提高合成質量，選擇了數(shù)字聲束形成技術構成接收系統(tǒng)，又因 FPGA內部利用并行處理技

3、術與流水線技術可以比較容易地實現(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)據吞吐率。
　　接著，對超聲相控陣檢測系統(tǒng)的組成及關鍵模塊進行了設計，發(fā)射單元采用多個獨立的壓電晶片組成陣列，由上位機軟件設置的時序經由 CPLD控制激發(fā)各個晶片，控制發(fā)射聲束的焦點位置和掃查方向；接收模塊由 SPI接口控制各個芯片功能，信號經電壓隔離，放大，濾波處理并轉換為LVDS信號進入FPGA。通過FPGA控制數(shù)據經PCI

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