FPGA_ASIC-相控阵超声波检测系统的设计
FPGA_ASIC-基于FPGA的微波辐射计数控系统设计与实现
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《电子技术应用》
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系统开关控制电路 控制信号
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基于FPGA的超声波阵列测量定位系统设计
S = ( 33.145 + 0.607T ) t
（1）
式中，T 为环境温度。本文采用 TDoA 的方式测量距离，
即信号源通过蓝牙向超声波阵列发送开始测量信息，由
于电磁波的传播速度为 3 × 108 m/s，而超声波的传播速
本文基于 FPGA 硬件平台设计一套超声波阵列测 量 系 统 ，能 够 通 过 蓝 牙 先 接 收 信 源 发 来 的 同 步 信 号 ，并 采用 TDoA（Time Difference of Arrival ）的方式分别测量
收稿日期：2017⁃08⁃28
修回日期：2017⁃10⁃27
基金项目：辽宁省教育厅项目（2017FWDF06）
1 超声波定位原理
超声波一般是指频率大于 20 kHz 的机械振动波。
超声波测距可采用传播时间检测法进行，即测量超声波
从发射换能器发出经空气传播到接收换能器的传播时
间 t，将 t 与其在空气中的传播速度 v 相乘，就得到超声
波此时的传播距离 S。由于超声波在空气中的传播速
度与温度相关[8⁃10]，则传播距离为：
陈志彬，宋金堂，张 娜，乔怡豪
（辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051）
摘 要：为了实现对移动物体进行定位，提高超声波定位的精度，基于可编程逻辑门列阵（FPGA），设计一个 SoC 硬件
测量平台，对超声波信源到超声波接收阵列的角度和距离测量实现高精度定位。为提高系统的测量精度，补偿温度对测量
结果产生的影响，增加了温度传感器测量环境温度。在程序设计上将 TDoA 与 AoA 融合，并结合 MUSIC 算法，以提高测量的
精度。实际实验测量表明，该测量系统运行稳定可靠，测量速度快、精度高，有一定的实用性和推广价值。
基于FPGA的超声波成像系统设计
基于FPGA的超声波成像系统设计作者：叶先万刘聪鑫胡霄吴松和来源：《锋绘》2018年第03期摘要：文章自主设计了一种超声波成像系统，采用超声波激发电路发射窄脉冲信号，激励微型电容式超声换能器向目标检测物体发射超声波信号，采用收发隔离电路接收目标检测物体反射回的回波信号，结合FPGA模块对回波信号的处理，大大提高了信号处理速度，及成像效率。
关键词：超声波成像；超声换能器；FPGA处理随着科技的进步，超声波成像技术广泛应用于人类生活的各个领域，在医学诊断、无损检测、超声显微镜和水下探测等多个领域内均发挥着重要的作用。
超声成像系统的性能取决于超声换能器、信号处理电路、图像处理的方法和声学封装的技术水平。
其中超声换能器能够发射超声波和检测超声波，实现电声转换和声电转换，是超声成像诊断设备的核心部件，所以超声换能器的发展对提高超声检测技术和设备的发展起着决定性的作用。
但现有的超声波成像装置中大多数利用传统的压电式超声波换能器，由于种种限制已不能满足现代超声检测的需求。
基于此，文章利用微电容式超声波换能器，通过回波处理电路等模块，利用FP-GA+ARM的异构系统，完成数字波束合成，解调和检波等信号处理，最终实现成像。
1 总体设计设计系统的核心控制方式采用FPGA与ARM异构，其中选用的是Altera公司的DE2-70开发板，ARM处理芯片选用的是ST公司的STM32F系列开发板，总体结合FPGA的强大运算能力和ARM高效的处理能力，使设计系统具有高效的工作性能。
整体设计框图如图1所示。
首先电源模块的作用为给电路中各个模块进行供电用来保证电路持续稳定工作。
超声波激发电路能够产生尖锐的高压脉冲信号，可以用来激励超声波换能器发射定向超声波。
发射出的超声波信号与被测物体接触后会产生回波反射信号，接收回波前，该信号先要经过一个收发隔离电路用于分隔入射波与反射波，阻止高压发射脉冲进入回波接收电路。
由于超声系统成像时，经物体反射回来的超声波衰减严重，回波信号比较微弱，故需要利用一个低噪声放大器对回波信号进行适当的放大，增大信噪比。
浅谈基于FPGA的相控阵雷达波束控制系统设计
的稳定性 ， 并且 可以进 行提 高接 口的规范化 。 在层结构体系中 有着灵活性和可更换性 ， 在 实现系统每层接 口时 ， 可 以利用 不
同 的方 式 进 行 有 效 的 实 现 。 其 次在 开 发 系 统 时 ， 可 以对 层 结 构 进行划分， 使 其 成 为 多个 部分 ， 并 由 团 队或 者 是 异地 进 行 开 发 。
２ ． ２ 管道 和过 滤器
管 道 和 过 滤 器 模 可 以 为数 据 流 系 统 进 行 有 效 的处 理 ，在
软件开发 中可 以将每个工作步骤进 行封 装，使其在一个过滤 器 组件 中。管道和 过滤器结 构主要是将 软件系统进 行处理 ， 使 其成为几个独立步骤 。同时步骤在进 行连接时可 以按照系
对象进行相应 的更换 ， 并可以按 照相关要求 ， 将对 象进行动态 的打 开 或 者 是 更 换 。 最后 模 型 一 视 图 一 控 制 器 模 式 具 备 着 相 应 的可移植性 ， 能够独立地将模 型进行移植 ， 同时可 以在新 的 平 台上 对 其 进 行相 应 的 修 改 。 另 外 可 以对 软 件 进 行 工 程 化 管 理， 并且在产 生管理程序代码时 ， 可以进行有效 的工程化和工 具化管理 。 但是模型一视 图一控制 器模 式使系统结构的复杂 性得 到大幅度的提高， 其独立性较低 ， 并有着较低效率 的访问。
模式有着较强的支持功能， 当改变层模式功能时， 最多只是对 相邻的上下层进行相应的影响， 不会影响到整体结构； 最后 就 是层结构的相邻层可 以提供相同的接 口， 每层 的设计可以由相 同功 能 的模 块 进 行 替 换 ， 因此 层 模 式 结 构 具 备 着 可 替 换 性 。
但 是 层 结 构 模 式 的 效 率 偏 低 ， 同 时 层 结 构 模 式 中 的高 层 有 着 较 高 的依 赖 性 ， 对底层有着较高依赖性 ， 因此 需 要 进 行 多 次的数据传送 ， 并 且 会 改 变 层 结 构 中 的连 锁 反 应 。
基于FPGA的超声波测距系统设计详解
基于FPGA的超声波测距系统设计详解超声波测距是一种非接触式测量技术，具有定向性好以及对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感的优点，当被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰及有毒等恶劣的环境时，超声波有很强的适应性。
因此超声波传感器广泛用于工业测量、安全预警、车辆避障、自动导航以及现场机器人等相关领域。
目前绝大多数超声波测距系统都是以单片机作为信号发生和控制器，其测量精度严重受限于单片机的晶振频率（1.2 MHz~24 MHz），往往难以令人满意。
而且用单片机控制的测距系统需要辅助设计较多的由分立元件组成的外部模拟电路，故其抗干扰性能也相对较差。
FPGA作为一种高密度可编程器件，其内部可以集成较大规模的逻辑单元，适用于时序、组合等各种逻辑电路应用场合，具有运行速度快（100 MHz以上）、内部资源丰富等特点，为开发高精确度的超声测距系统提供了新的设计方案。
为此，本文设计了一种基于FPGA的超声波测距系统，有效提升了系统整体性能。
1 超声波测距原理目前，超声波传感器的种类有很多，一般采用压电式超声波传感器。
超声波测距原理如图1所示。
超声波信号由超声波发射探头发出的同时，计数器开始计数，超声波在传输过程中遇到障碍物会反射回来（称为回波），在超声波接收探头收到回波的同时，计数器停止计数。
由速度和时间即可得到障碍物与测距装置之间的距离：S≈L=V×t/2（1）其中，S为障碍物与测距装置之间的距离，V为超声波的传播速度，t为计数器测得时间。
2 测距系统与硬件电路本超声波测距系统整体结构如图2所示，包括发射模块、接收模块、显示模块、温度补偿模块和FPGA设计模块等。
CX20106A的2引脚与GND之间连接RC串联网络，改变它们的数值便能改变芯片内部前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R或是减小电容C，都将使负反馈量增大，放大倍数下降；反之则放大倍数增大。
这样便可以调节超声波接收探头R的接收灵敏度。
FPGA_ASIC-多通道超声探伤数据采集处理技术
多通道超声探伤数据采集处理技术The Data Acquisition and Processing Technique for Multi-channel Ultrasonic Testing（中国海洋大学）刘 贵 杰 李 帆Liu,Guijie Li,Fan 摘要：设计了一种以DSP嵌入式处理器为核心、基于FPGA技术的四通道数字式超声探伤数据采集与处理系统。
采用高速A/D转换芯片，在对超声回波信号采集的同时实现了采样数据的在线压缩，在FPGA的控制下实现了高速数据的缓冲存储，设计的系统体积小、功耗低、功能强、集成度高，尤其适合于高速、高精度的超声无损检测。
关键词：超声检测；数据采集与处理；数据压缩；现场可编程门阵列中国分类号：TP274 文献标识码：BAbstract:A new type data acquisition and processing system for four channel digitalized ultrasonic testing based on FPGA was developed. The system,which took DSP embedded processor as core, adopted high-speed A/D conversion chip.It realized on_line compression of sampled data while collecting ultrasonic echo signal.Besides,it carried out the buffer of high-speed data saving under the control of FPGA.The system designed has a characteristic of small volume,low consumption,strong function,high integration degree,and it is especially suitable for the high speed and high accuracy ultrasonic nondestructive testing.Keywords: ultrasonic testing,data acquisition and processing, data compression, FPGA超声波检测作为一种常用的无损检测技术之一，具有穿透力强、设备简单、检测灵敏度高、使用方便和安全性好的优点，在产品质量控制、结构完整性评估、部件剩余寿命预测等领域有着广泛的应用。
基于FPGA的超声相控阵发射系统设计
０ ３ ０ ０ ５ １ ； ０ ３ ０ ０ ５ １ ） （ １ ． 中 北大 学 ， 电子 测 试 国 家 重 点 实 验 室 ， 山西 太 原
基于FPGA和DSP的超声波检测系统设计
基于FPGA和DSP的超声波检测系统设计
郑超;王雪梅;倪文波
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2010(036)006
【摘要】针对目前机车车辆模拟式超声波检测仪器的不足,设计了一种基于FPGA 和DSP的数字式超声波检测系统.整个系统由信号预处理模块、高速AD转换器和数据采集处理等模块构成,解决了超声波检测中的高速数据采集和处理的关键问题,实现了超声波信号的检测、处理和显示.试验结果表明,由于采用高速数字信号处理技术,不仅提高了检测系统的精度,而且系统运行稳定可靠,达到超声波信号检测要求.【总页数】4页(P53-56)
【作者】郑超;王雪梅;倪文波
【作者单位】西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TP273;TH878+.2
【相关文献】
1.基于FPGA＋DSP的红外弱小目标检测系统设计 [J], 金长江;师廷伟;相征;
2.基于FPGA与DSP的烟尘污染检测系统设计 [J], 杨照宏;孙建伟;张立
3.基于DSP+FPGA的红外图像小目标检测系统设计 [J], 康令州;陈福深;黄自力;王德胜
4.基于DSP+FPGA的矿井轨道行人检测系统设计 [J], 马忠磊;郎文辉;李晓明;卫星
5.基于FPGA的DSP检测系统设计 [J], 吴杰
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基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计
基于FPGA的宽频超声波电源频率跟踪系统设计摘要：针对传统超声波电遮无法驱动及锁频不同谐振频率段的换能器，实现不了宽频域内的锁相和频率跟踪的问题，设计了一种基于FPGA的具有自动频率搜索与跟踪、动态匹配不同谐振频率换能器的宽频域超声波电源。
根据换能器的阻抗特性曲线，设计出动态步长的宽频域频率搜索方法，快速跟踪到换能器的谐振频率，并根据反馈电路的电压电速相位差，实时调整输出频率，锁定整个系统工作在谐振状态。
实验结果表明，设计的宽频域超声波电源频率搜索快、跟踪准，动态匹配换能器适应性好。
O引言超声波焊接、清洗、检迦技术具有广泛的应用前景［1］。
然而超声波系统谐振频率漂移、跟踪滞后等问题并没有得到完全解决。
目前研制的超声波设备多为超声波电源与其配套的换能器工作，单个超声波电源无法驱动及锁频不同谐振频率段的换能器，实现不了宽频域内的频率跟踪和锁相［2］。
因此，研制一款具有频率自动跟踪并能动态匹配不同谐振频率换能器的宽频超声波电源具有重要的应用价值［3］。
本文采用X11INXZYNQ系列的FPGA(XC7Z0201C1G484I)作为主控制器，设计了一款具有宽频域内频率自动搜索、跟踪、动态匹配换能器的超声波电源。
输出频率20~40kHz,可以驱动在该频率范围内的不同应用类型换能器，具有宽频域的广泛适用性。
1超声波电源系统构成超声波电源由整流电路、逆变电路、匹配电路、反馈电路和主控制电路组成。
系统结构框图如图1所示。
主控制器FPGA集成了一个双核ARMCor tex-A9处理器资源(PrOCeSSingSystem,PS)和一个传统的现场可编程门阵列(FieId-Programmab1eGateArray,FPGA)逻辑资源(Programmab1e1ogic,P1)OFPGA的PI 每元主要完成频率搜索、频率跟踪、电压电流鉴相、SPWM生成、直接数字式频率合成器(DDS)等功能；PS处理器完成界面显示、输入参数处理等功能。
基于FPGA的超声波数据采集系统的开题报告
基于FPGA的超声波数据采集系统的开题报告摘要：超声波在医学、工业、环保等领域得到了广泛应用。
超声波数据采集系统是超声波成像设备的重要组成部分。
本课题将基于FPGA设计超声波数据采集系统，实现数据采集、存储和显示功能。
本文将介绍超声波成像原理、FPGA基础知识、超声波数据采集系统的设计和实现，并对系统的性能进行测试和分析。
关键词：超声波数据采集系统；FPGA；数据存储；数据显示；性能测试一、课题背景超声波作为一种高频声波，其在医学、工业、环保等领域得到了广泛应用。
其中，医学领域应用最为广泛，主要用于人体内部器官的成像诊断。
超声波成像设备是医学超声诊断的主要手段之一，其核心部件是超声波探头。
超声波探头通过向人体内部发出超声波信号，然后接收信号回波并进行处理，最终形成图像。
超声波探头是通过FPGA集成电路对数据进行采集、处理和显示。
因此，基于FPGA的超声波数据采集系统设计研究已成为当今热门课题之一。
本课题旨在从超声波成像原理和FPGA基础知识出发，设计、实现一款超声波数据采集系统，能够实现数据采集、存储和显示功能，并对系统进行性能测试和分析。
二、研究内容和研究目标1. 研究超声波成像原理，了解其在医学、工业、环保等领域的应用；2. 研究FPGA基础知识，包括FPGA的硬件结构、IP核的使用和Verilog HDL语言的编写；3. 设计一款基于FPGA的超声波数据采集系统，包括硬件设计和软件设计；4. 实现超声波数据采集、存储和显示功能，并进行性能测试和分析。
三、研究方法和技术路线1. 超声波成像原理和FPGA基础知识的研究。
首先，通过文献调研和实验验证的方式，深入研究超声波成像原理，理解其在不同领域的应用。
然后，学习FPGA基础知识，包括FPGA的硬件结构、IP核的使用和Verilog HDL语言的编写。
2. 超声波数据采集系统的设计和实现。
基于之前的学习，根据超声波成像的特点，设计出一款基于FPGA的超声波数据采集系统，完成硬件和软件设计。
基于FPGA控制的超声波测距系统设计
基于FPGA控制的超声波测距系统设计陈云超;程晓锋;郭锋【摘要】The principle of ultrasonic ranging is introduced, the hardware architecture and software configuration of the ultrasonic ranging system based on FPGA is introduced. In view of the impact of temperature to the range accuracy, the temperature should be correct. The system has the characteristics of high reliability, high integration, fast response and high precision.%介绍了超声波测距原理和基于FPGA控制的超声波测距系统组成。
包括硬件结构及软件构成；鉴于温度对测距精度的影响，对温度进行校正。
此系统具有可靠性高、集成度高、响应速度快、测量准确度高等特点。
【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)001【总页数】3页(P90-92)【关键词】现场可编程门阵列;超声波测距;温度校正【作者】陈云超;程晓锋;郭锋【作者单位】西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TP216超声波是频率大于20 kHz的机械波，在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、衰减较小、反射能力较强等优点。
因而超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，在液位测量、汽车倒车雷达、清洗技术等领域有着广泛的应用，已越来越引起人们的重视。
基于FPGA的高精度超声波测距系统的设计
基于FPGA的高精度超声波测距系统的设计汪才杰;张大名;张米露【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)017【摘要】This paper designes an FPGA-based high-precision ultrasonic ranging module. For chip timing and signal processing, the Cyclone II series EP2C5T144C8 is used to design logic circuit module such as timing generator, high-speed counting, echo identification, variable threshold control, which can process signal quickly and orderly. In the speed of sound, it adds temperature compensation module to avoid the bias values which are introduced by the use of the fixed velocity, thereby improvingthe system accuracy. The system has high reliability, high integration and fast response characteristics. Experiments show that the relative error is less than 0.3% away from the obstacle 600 mm to 3 600 ram, the measurement accuracy is greatly improved.%设计了一种基于FPGA的超声波测距模块。
基于FPGA的超声波电源频率自动跟踪系统设计
《 电加工与模具 》2013 年第 3 期
设计 · 研究
基于 FPGA 的超声波电源频率自动 跟踪系统设计
黄洪彬 ，唐勇 军 ，付美荣 ，陈 猛
（ 广东工业大学机电工程学院 ， 广东广州 510006 ）
摘要 ： 针 对 超声振子 工作过 程中存 在的 频率漂移 问题 ， 提 出了 一 种 基于 FPGA 的 数 字 化 频率 自动 跟踪 系统 ， 在 分析了 超声振子 电 特 性 及 多峰性 的 基础上 ， 阐述 了 频率 自动 跟踪 系统 的 设计 原 理 及 基于 FPGA 的 实 现 方法 。 实 验结 果 表明 ， 超声振子 谐 振频率 在 随 温度 变 化 而 漂移 时 ， 本 超声 电 源 能 实 时 跟踪 其谐 振频率 的 变 化 。 关键词 ： 超声波电源 ； 频率自动跟踪 ；FPGA ； 超声振子 中图分类号 ：TG663 文献标识码 ：A 文章编号 ：1009-279X （2013 ）03-0032-04
X
kHz ，Zb=112.29 Ω；fc=54.696 kHz ，Zc=85.57 Ω。 根据
欧姆定律可知 ， 阻抗越小 ， 通过振子的电流值越大 ， 振子获得的有效功率就越大 。 所以在实际应用中 ， 一般 选用电流值 大 且 机 械 臂 电 压 电 流 相 位 差 为 零 的点作为超声振子的有效工作点 。 因 ， 在 工 程 应 用 中 ， 为 了 保 证 超 声 振 子 不 窜
X
数 ， 阻抗虚部 （ 电抗 ）Im[Z(jω)] =X(ω)=ωL1-1/(ωC1) 。 当
基于FPGA的高集成度超声波相控阵激发系统
基于FPGA的高集成度超声波相控阵激发系统骆英;仇鹤;张文干;王自平【摘要】近年来超声相控阵检测技术正逐渐成为国际无损检测领域的研究热点之一.目前国内外的超声相控阵系统结构复杂、集成度较低.基于FPGA技术,将系统延时算法模块与时序控制模块进行单片集成,基于串行发射方式提出了一种在单片电路上实现多通道相控阵超声发射系统的设计方案,从而提高了系统硬件集成度.运用DSP Builder完成了延时算法的运算及测试.利用数字波形发射方式使得激励信号参数及相位延迟任意可调,实现了高精度的延时控制,提高了缺陷检测的分辨率和信噪比.系统主要包括信号发生模块、信号调理模块及接收模块.试验结果表明:该系统工作性能稳定,延时精确度高,对超声相控阵发射系统的优化具有重要的意义.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P26-28,44)【关键词】超声相控阵;延时;DSP Builder;高集成度;FPGA【作者】骆英;仇鹤;张文干;王自平【作者单位】江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013;江苏大学理学院,江苏镇江212013;江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TN980 引言随着现代工业的高速发展，社会对各类机械结构的安全性和可靠性的要求越来越高[1]。
受周期性载荷的影响，机械工件的焊接处易发生应力集中现象，导致焊接处产生裂纹、断裂等。
因此，必须对机械结构进行无损检测以实现对其损伤的早期识别，从而采取措施保证机械结构的安全运行。
超声相控阵无损检测技术可以高速、全方位和多角度地对损伤进行检测，有效解决了结构损伤检测中咨询波可达性差和空间限制等问题，具有广阔的应用前景[2-3]。
目前的相控阵超声波激发技术是通过在换能器两端施加高压脉冲产生超声波[4-5]，这种激发方式简单可靠，但发射信号参数难以调控，限制了后续的检测分辨率。
基于FPGA的超声相控阵发射系统设计
基于FPGA的超声相控阵发射系统设计
杜春晖
【期刊名称】《传感器世界》
【年(卷),期】2016(0)5
【摘要】创造性地将水下超声成像技术与相控阵发射技术相结合,利用FPGA丰富的I/O引脚接口与内部逻辑资源,设计了一种超声相控阵发射系统,分析了超声波换能器激励信号的D/A转换和放大调理电路,结合超声换能器对该系统进行了实验验证,实验表明该系统可以实现超声信号的相控阵发射,电路性能稳定,易于集成,为水下超声成像系统的小型化提供了一种可能,具有较强的参考价值.
【总页数】5页(P14-18)
【作者】杜春晖
【作者单位】中国煤炭科工集团太原研究院有限公司, 山西太原030006;山西天地煤机装备有限公司,山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】TB553
【相关文献】
1.基于 FPGA 的超声相控阵发射系统设计 [J], 崔娟;王红亮;何常德;薛晨阳
2.基于FPGA的超声相控阵相控发射系统的研究 [J], 骆英;王伟;王自平;徐佳
3.基于FPGA的超声相控阵发射系统设计 [J], 杜春晖
4.基于FPGA和以太网的超声相控阵发射系统研究 [J], 於炜力; 曹永刚; 王月兵
5.基于FPGA的小型化微波发射系统设计 [J], 杨凯;沈学静;张会新;梁永刚
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基于fpga控制的超声信号采集处理系统和方法与流程
基于fpga控制的超声信号采集处理系统和方法与流程
基于FPGA控制的超声信号采集处理系统和方法，其流程包括：
1.采集来自超声传感器的超声信号，并将其放大、转换和高速缓存。
2.采用数字波束合成器对多通道超声回波信号进行波束合成，并对
不同通道信号进行延时，使同一点的信号同相相加，同时对多个通道的回波信号进行空间域上的加窗，类似匹配滤波，以提高信号的信噪比。
3.对合成后的超声视频信号做一个帧相关的预处理，即图像帧与帧
之间对应象素灰度上的平滑处理。
4.采用FPGA实现读写控制时，为了避免同时对一个帧存进行读写
操作，需要设置读写互斥锁进行存储器状态切换。
以上是基于FPGA控制的超声信号采集处理系统和方法的主要步骤。
基于FPGA的相控超声发射系统设计与实现
基于FPGA的相控超声发射系统设计与实现张慧;王红亮;何常德;张文栋;薛晨阳【摘要】设计了一种以FPGA为核心的相控超声发射系统,对该系统工作原理及相控聚焦方法进行了研究;设计了一种二维相控阵列,并进行了阵列定点聚焦延时仿真;最后运用该系统实现了对相控阵列的高精度聚焦延时控制,并经过DA转换、电压及功率放大,产生了幅值及波形可控的激励信号,测试了该系统对实际目标的定位精度;实验结果显示对实际目标定位偏差在3％左右,该超声相控发射系统可实现相控聚焦发射,延时控制精度高,可靠性好.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2014(022)008【总页数】4页(P2638-2640,2643)【关键词】相控超声发射;相控阵列;聚焦延时;定位测试【作者】张慧;王红亮;何常德;张文栋;薛晨阳【作者单位】中北大学电子测试国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TG115.280 引言超声相控阵成像技术最早应用于工业无损检测，因其检测灵敏度和分辨率高、检测范围大，具有动态聚焦、可控性强等特点［1］，现在已广泛应用于军工业无损探伤、医疗诊断设备和混沌水下探测等领域。
以相控技术为基础，现已发展出许多先进的超声成像技术，如动态聚焦技术、混频相控阵、子阵合成相控阵技术等［2］，极大地推动了超声相控成像领域的发展。
基于FPGA的相检宽带测频系统的设计
基于FPGA旳相检宽带测频系统旳设计在电子信号旳测量和评估技术中，频率测量技术是最基本最重要旳测量技术之一。
常用旳实现频率测量技术旳措施有测频法和测周期法，但在实际应用中常常由于对被测信号旳计数个数存在±1个字旳误差而具有较大旳局限性。
等精度测频措施能较好旳消除计数所产生旳误差，从而实现了在宽频率范畴内旳高精确度测量旳技术水平旳提高，但是它又不能彻底旳消除和减少标频F0所引入旳误差。
本文将简介旳系统采用相检宽带测频技术，不仅实现了对被测信号旳同步，也实现了对标频信号旳同步，大大消除了一般测频系统中旳±1个字旳计数误差，并且结合了现场可编程门阵列（FPGA），具有集成度高、高速和高可靠性旳特点，使频率旳测量范畴可达到1Hz～2.4GHz，测频精度在 1s闸门下达到10-11数量级。
测频原理本测频系统中采用旳测频原理是相检宽带测频技术。
在频率测量中，设标频信号为f0，被测信号为fX，则f0=A·fC，fX=B·fC，A、B是两个互素旳正整数，称fC为f0和fX旳最大公因子频率 fmax c，其倒数为两频率旳最小公倍数周期Tmin c。
如果这两个信号旳周期稳定，它们之间旳相位差变化也具有周期性，周期即为Tmin c。
设两信号旳初始相位差为0（即初始相位重叠），则通过N·Tmin c(N为正整数）之后，它们旳相位又会重叠。
因此，在一种或多种Tmin c内对被测信号fX和标频信号f0分别计数得NX和N0，则被测信号旳频率可由式fX= f0·NX/ N0得出。
在相位重叠检测旳测频电路中，测量旳门时信号受单片机设立旳参照门时以及被测信号和标频信号旳相位重叠点旳共同控制，但实际测量闸门旳启动与闭合同被测信号和标频信号旳相位重叠点同步，这样可以有效旳消除老式测频措施中±1个字旳误差。
硬件构成和功能框图整个测频系统由多种功能模块构成，涉及MCU数据解决、FPGA及其配备、高频分频、信号整形和液晶显示等，其中FPGA集合了相位重叠点检测、同步闸门产生和定期计数等功能，重要硬件功能框图如图1所示。
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相控阵超声波检测系统的设计蔡锦达杨翰（上海理工大学机械工程学院 上海 200093）THE DESIGN OFULTRSONIC PHASED ARRAY TESTSING SYSTEMCai Jinda YANG Han(College of Mechanical Engineering, Shanghai University for Science and Technology, Shanghai200093,China)摘要：本文设计了一种基于DSP+FPGA的超声波相控阵检测系统，较为详细的介绍了该硬件系统的设计和软件编程方法，主要介绍了系统主控硬件的结构以及软件控制系统的数据流向。
关键字：相控阵超声检测数据流Abstract：This paper designed phased arrays system, which is based on DSP and FPGA. It introduced the methods of hardware design and software programming in detail. The structure of system mastery hardware and data stream of software-controlled system were mostly illustrated in this article.Keyword：phased arrays ultrasonic testing data stream中图分类号: TP919文献标识码：A0.引言相控阵超声波检测系统利用计算机技术和电子线路原理，采用可编程芯片和数字信号处理器，通过软件设定，改变探伤波波束的偏转和聚焦深度，获取探伤检测信息，并通过标准的图形界面实时的显示缺陷的三维位置和探伤接收波形。
1．主控系统硬件主控系统硬件如图1所示，其包括：(1)发射板接受板共计9块，其中一块专用于发射接收横向裂缝信号，其硬件结构与其他8块板相同。
每块发射接受板的发射部分具有16路发射单元（包括发射脉冲整形电路、MOS驱动电路），按设计规定次序连接16个晶体，每块板的发射部分由该板上的CPLD按软件规定的时序发出16路不同延时的脉冲，经4选1选通开关选通后，激发相应的发射回路。
每块发射接受板的接受部分同样对应16路晶体，经4选1开关选通后转为4路接受单元。
信号进入各接受单元后，首先经过可控增益的低噪声放大器，然后再作A/D转换，由于A/D转换的起始脉冲时间不同（由各路的CPLD发出）相应地即作了接收延时，其延时量由主控计算机在测试前，通过总线已给予各级FPGA设置。
在A/D转换数据达到测试所需的字节后，在各级FPGA的统一时钟下同时将接受到的数据进行D/A转换，并将模拟信号送出板外进行模拟加。
(2)综合板一块，具有32路的总模拟加电路、激励电源电压控制信号产生器电路、4段BPF滤波选择电路、统一时钟信号产生电路，电机行走控制给定脉冲电路。
(3)总A/D转换板卡一块，其要求为：100MH，8位数据精度，可由外同步脉冲触发同步。
可由控制端控制A/D转换，并往RAM内按顺序写入数据，如无此信号则停止读写。
可由清零控制端输入2-10微秒的脉冲，脉冲过后，写入数据的指针回零地址开始写入。
并要求有读出数据子程序，可从输入数据首地址读完全部转换的数据止。
发射板和接受板的数据总线和地址总线符合工业计算机ISA总线标准和PCI总线标准。
发射和接受可调延迟精度为2ns，发射和接受大部采用数字延迟电路，数字延迟电路以10ns以上由软件程序控制，2ns-10ns由数字延迟电路（接受部分为模拟延迟电路）通过选通控制，时间控制长度为32000ns。
信号放大带宽2-6MHz，4-8MHz，6-10MHz，和直通带四种可程序设置。
脉冲输出：50V—200V；脉冲宽度：20ns—500ns放大器动态范围：60dB可调/通道；总增益：80dB。
图1 相控阵仪器结构图2．系统软件设计2．1总控制软件系统数据流程图2 控制软件系统数据流程总控制软件系统可分为放在上位机上的人机数据输入界面软件和检测结果图形显示软件 ，放在工业控制机CPU上的各类控制数学模型软件，数据的输入和输出软件，以及放在各板卡CPLD上的各声束发射接受实时控制软件等。
详见图2示意。
2.2人机数据输入界面图3 数据流向图以及相应的计算工作，提供下位机进行参数计算的依据；此外，本软件还提供用户对存储数据库进行方便调整和扩充的功能，从而提高系统的适应范围。
并提供高级用户进行超声检测工艺设计和试验的工具；本软件的主要任务是提供用户一个方便的操作环境，完成相控检测所必须的参数设置最后提供整个相控系统控制软件的集成环境。
系统的设计目标为:(1) 系统数据库扩充：提供用户对系统未包含的坡口类型、楔块类型、晶阵类型进行参数输入的功能；(2) 运行参数设置和计算：提供用户对运行参数的设置界面，并计算相应的运行参数;(3) 数据传输：按照规定的格式提供下位机数据计算和硬件读写控制软件所需要的控制报文、提供上位机数据接受和数据处理控制软件所需的管道参数信息；(4)扫查参数的图形显示：提供用户扫查设置方案的直观显示功能；(5)超声工艺设计和试验：提供系统高级用户进行工艺试验研究的工具；(6)系统帮助：Windows95风格的在线帮助系统；(7)数据安全性：设置错误陷井，任何对数据库的重要操作均应给予确认，防止误操作对数据库的修改及系统的非正常退出；(8)系统操作权限的界定：设置系统操作权限，如用户权限不允许，则系统将禁止用户进入相应的操作界面；(9)打印功能：打印相应的数据以及设置图形。
整个程序采用可视化编程技术，利用菜单和快捷方式实现模块之间的转换，数据之间的耦合由程序内部实现，用户只需在需要输入数据处进行输入即可。
程序设计时本着降低复杂度的原则，对问题进行了分析、归纳和简化，将底层数据库简化为两个（预计），一个是本软件的操作数据库，一个是与上位机数据接受和数据处理控制软件集成后整体参数存储数据库（待协商），并提供多个操作数据表。
由于本系统是一个多操作功能的综合系统，因此根据用户的不同需求，系统内部数据流会以不同的方式出现。
但是在本软件中最为核心的操作功能只有两个就是参数设置计算和工艺研究。
下面就此两个操作功能模块作一下数据流分析。
用户信息输入后，经过系统分析，系统会从系统操作权限表中提取用户的操作权限信息，根据用户的使用目的决定用户的操作是否可行。
如权限判定通过，用户可以进行权限允许下的操作。
其数据流向图如图3所示。
3.系统测试3.1静态测试在研制制作阶段，工艺调试组的科技人员已设计制作了大量的测试试块，和做了大量的模拟测试试验，为了研制制作阶段完成后的静态调试阶段的工作提前做了技术和物质的准备。
首先进行了主控系统的硬件性能的测试：(1)对各板卡中的电路错误以及有问题的元件进行了测试和纠正。
(2)对系统发射接受时间的精确性进行了测试和电路调整。
(3)对32路放大器进行了测试和放大倍数一致性的调整以及电路抗干扰性能的改进。
进行了结合软件在测试块上进行的测试：(1)聚焦性能的测试和软件的改进。
(2)各声速的单独运行和循环组合运行的测试和软件的改进3.2动态测试动态试验第一阶段在中国石油天然气管道局焊接中心进行，在已进行过测试并标定了缺陷位置和性质的管道上进行测试小车正式爬行测试，以对本系统的判断值进行标定，并对系统的各项参数进行硬件和软件上的修改。
4．结束语本文给出一种了基于DSP和FPGA的相控阵超声波检测系统的设计方案。
详细论述了主控硬件电路系统的结构和控制系统软件的数据流程。
该系统在设计并研制成功后的实际测试过程中取得了良好的效果，但系统依然有许多值得提高的地方，希望在下一代产品研制中完善。
本文作者创新点: 本发明基于计算机总线可用于相控阵超声检测的硬件平台；其特点是以高压驱动总线、模拟数据总线和计算机控制总线（PCI和ISA）。
三种总线为基础，由自主研发的发射控制，接收控制，综合控制，高速A/D和数字全加等部分组成。
采用基于PC的PCI 总线或嵌入式系统作为控制核心。
不同种类，不同数量的板卡，组成不同的检测系统。
将相控阵超声检测的各个硬件模块有机地结合起来，使得使用者可以根据不同检测方案的需要，不同的现场工艺要求，方便灵活地组合成实际所需的相控阵超声检测硬件系统。
从而使相控阵超声检测的硬件系统实现智能化、模块化和小型化。
该硬件平台不仅能实现相控阵超声检测也可以实现普通的超声检测。
参考文献:[1] 廉平平 常青. 基于FPGA、DSP的核信号波谱分析仪设计与实现.微计算机信息 2007,1-2, 238-239.[2]西拉特J.超声检测新技术[M].陈积懋,余南廷译.科学出版社,1991.24-28.[3] 李衍.管道环焊缝相控阵超声探伤技术的应用[J]. 无损检测, 2002,24(9):386-390.[4] 无损检测学会网.国产相控阵全自动超声检测装置[EB/OL].2002-9-25.[5] Erhard A, Schenk G, Hauser Th.. New applications using phased array techniques[J]. Nuclear Engineerin and Design, 2001, 20(6):325-336.[6]Wstenberg H, Erhard A, Schenk G. Scanning modes at the application of ultrasonic phased array inspection systems[J/OL],2001,6(4).作者简介：蔡锦达,（1963—）,男（汉族）上海人，上海理工大学机械电子工程系，硕士生导师,主要研究方向为机械电子工程杨翰(1981—)，男（汉族），江苏常熟人，上海理工大学机械电子工程系，硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程Biography：Cai Jinda(1981—)， male(han)，shanghai，Shanghai University for Science and Technology，professor，Mechatronic Engineering，the main research area is Mechatronic Engineering Yang Han(1981—)， male(han)，jiangsu，Shanghai University for Science and Technology，master，Mechatronic Engineering，the main research area is Mechatronic Engineering作者通信地址：上海市军工路516号上海理工大学四公寓2号楼301#杨翰收邮编：200093。