基于CPLD的超聲相控陣相控發(fā)射與同步系統的實(shí)現

1 引言

過(guò)去我們采用的超聲檢測系統中一般使用單通道探頭實(shí)現，單探頭對于檢測不規則或復雜形狀的工件，可靠性差，容易造成誤判或(和)漏判。我們利用超聲相控陣原理采用多通道探頭進(jìn)行超聲檢測，采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，具有良好的聲束可達性，不僅能對不規則或復雜形狀的工件進(jìn)行探查，而且能提高檢測速度。

超聲相控陣技術(shù)是當今無(wú)損檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它的原理是，由多個(gè)換能器陣元排列成一定形狀構成超聲陣列換能器，每個(gè)陣元都可以發(fā)射或接收超聲波，分別調整每個(gè)陣元發(fā)射/ 接收的相位延遲，產(chǎn)生具有不同相位的超聲子波束在空間疊加干涉，達到聚焦和聲束偏轉的效果^{[1 ]}。它的優(yōu)點(diǎn)是采用電控方式聚焦，能非常靈活、便捷地改變聲束形狀、指向和焦點(diǎn)，而且精度容易保證。在無(wú)損檢測中相控陣超聲技術(shù)能提高信噪比、檢測靈敏度及檢測效率^{[2 ]} 。

超聲相控陣系統中相控發(fā)射和同步是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節,下面闡述研制的通過(guò)串口控制16 通道相控陣超聲實(shí)驗系統的相控發(fā)射機理,并對同步問(wèn)題展開(kāi)了詳細討論。

2　相控陣超聲發(fā)射的原理與電路結構

相控陣超聲發(fā)射利用了聲場(chǎng)的疊加干涉原理^{[3 ]}。調整饋送到各個(gè)陣元的電激勵信號的延遲，使得各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，形成所需的聲束聚焦和(或)偏轉效果。相位控制的方法主要有機械式調相和電子式調相，前者基于聲延遲塊結構，復雜笨重且精度低；后者經(jīng)歷了模擬調相階段而發(fā)展到數字調相階段，數字調相由于靈活精確且易于計算機控制而被廣泛采用^{[4 ]} 。

該實(shí)驗系統中就采用了數字式發(fā)射延時(shí)電路作為相控陣超聲發(fā)射的核心單元,圖1 為系統超聲發(fā)射部分的原理框圖。

圖1 系統超聲發(fā)射部分的原理框圖

該系統采用了傳統超聲探傷儀中采用高壓電脈沖激勵探頭(壓電晶片) 的方法,驅動(dòng)各晶片陣元。受硬件條件的限制，要達到高延遲分辨率，最大延遲會(huì )很小。相控發(fā)射數字延時(shí)的實(shí)現可以分成粗延時(shí)和細延時(shí), 粗延時(shí)一般基于晶振時(shí)鐘計數, 延時(shí)值為時(shí)鐘周期的整數倍, 通常為10ns以上。細延時(shí)量為采樣周期的小數倍, 一般應達到10ns以?xún)鹊难訒r(shí)分辨率。其實(shí)現原理是，將事先計算或編輯好的延時(shí)數據存入CPLD中事先建立好的存儲器模塊中,在一個(gè)同步觸發(fā)信號的作用下,啟動(dòng)CPLD內各通道延時(shí)計數器開(kāi)始計數。每一個(gè)通道的計數器每計一次都與該通道的參數輸入寄存器的值進(jìn)行比較，如果比較相同則輸出為高電平，不同則輸出低電平壓。延時(shí)計數器100MHz 時(shí)鐘, 則每個(gè)通道就會(huì )產(chǎn)生延時(shí)分辨率為10 ns，脈寬也為10 ns的激勵脈沖^[5]。通過(guò)各通道10 ns級的激勵脈沖去激勵各自通道的AD9501（一種數字可編程延時(shí)器），其可通過(guò)數據總線(xiàn)設置8位數字信號確定具體的延時(shí)時(shí)間，產(chǎn)生分辨率為1ns的激勵脈沖。經(jīng)后級電路進(jìn)行幅度放大和功率驅動(dòng)后去激勵壓電陣元激發(fā)超聲波。

3 　相控陣超聲發(fā)射的同步實(shí)現

前面已闡述了陣列換能器各陣元延遲的實(shí)現,即能產(chǎn)生不同的激勵脈沖。但這些激勵脈沖能否在超聲發(fā)射過(guò)程中按照我們設置的延時(shí)量延時(shí),這就牽涉到各通道輸出激勵脈沖的一致性及通道間同步問(wèn)題。以下進(jìn)行具體討論。

3. 1 　粗延時(shí)同步

為了實(shí)現各通道激勵脈沖能在超聲發(fā)射過(guò)程中按照我們設置的延時(shí)量延時(shí)，又因為該系統采用的是計數比較的原理來(lái)產(chǎn)生激勵脈沖，所以必須實(shí)現各通道計數延時(shí)的一致性。我們采用一塊CPLD來(lái)控制16通道的延時(shí)，通過(guò)ISA總線(xiàn)給CPLD產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖，激勵16通道計數器同時(shí)計數，也就是說(shuō)各通道開(kāi)始工作的起始時(shí)刻一定要一致。由于每次測量時(shí)，各通道的延時(shí)量不一樣，需要每次測量時(shí)及時(shí)把延時(shí)數據送給各通道。CPLD的內部為每個(gè)通道提供了8位的參數輸入寄存器，通過(guò)計算機串口把提前計算好的延時(shí)數據存在各通道的8位寄存器中，使各通道計數比較的延時(shí)時(shí)間一樣，這個(gè)延時(shí)時(shí)間是固定的，它由CPLD本身決定。這樣各通道的延時(shí)時(shí)間就會(huì )保持一致性。各通道發(fā)射延遲采用CPLD 內的數字電路實(shí)現,所以具有很高的精度和穩定性。

3. 2 　基于AD9501的細延時(shí)同步

ADI公司生產(chǎn)的AD9501是一種數字可編程延時(shí)器，它的延遲時(shí)間通常由內部數字寄存器中的數值決定，寄存器可以通過(guò)并行或者串行的方式訪(fǎng)問(wèn)，是一種輸入輸出信號具有可編程功能的時(shí)間延時(shí)器。其工作原理是，觸發(fā)脈沖上升沿觸發(fā)延時(shí)開(kāi)始，當斜波電壓超過(guò)D/C轉換器輸出電壓時(shí)，器件將結束延時(shí)。D/C轉換器電壓值由8位數字信號控制，在全程范圍內選擇所需的延時(shí)時(shí)間,保證器件具有精確的數字延時(shí)，并可編程。其主要構成單元有斜波產(chǎn)生器、8bit數模轉換器(DAC)和電壓比較器。AD9501內部結構如圖2。

圖2 AD9501內部結構

基于CPLD的粗延時(shí)采用普通的二進(jìn)制計數器時(shí)，16通道輸出脈沖有毛刺的出現，如圖3

圖3 16通道普通二進(jìn)制計數仿真波形

毛刺的出現會(huì )影響到后續的觸發(fā)電路，電路會(huì )產(chǎn)生誤動(dòng)作，有毛刺通道的AD9501觸發(fā)時(shí)刻不是按照設置的延時(shí)量觸發(fā)。通過(guò)改變設計，即采用格雷碼計數取代普通的二進(jìn)制計數。破壞毛刺產(chǎn)生的條件，來(lái)減少毛刺的發(fā)生。仿真波形如圖4所示。

圖4 16通道格雷碼計數仿真波形

這是因為格雷碼計數器輸出中,任何相鄰兩個(gè)狀態(tài)轉換時(shí),只有一位發(fā)生變化，消除了競爭冒險的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。

4　大規模系統中實(shí)現同步的設想

如前所述,在小規模超聲相控陣系統中各電路板采用了同一個(gè)采樣時(shí)鐘,則在理論上就可將延時(shí)誤差完全消除。大規模超聲相控陣醫學(xué)治療采用光纖傳輸時(shí)鐘及同步信號。光纖具有高速、靈活、體積小、抗干擾等優(yōu)點(diǎn),非常適于傳輸高速數字信號,將其引入工業(yè)超聲相控陣系統以傳送時(shí)鐘和同步信號將會(huì )大大改善系統的同步精度。

5 　結論

闡述了筆者研制的ISA 總線(xiàn)16 通道超聲相控陣實(shí)驗系統的相控發(fā)射原理與電路結構,對系統中各陣元的同步問(wèn)題進(jìn)行了仔細分析,證明了在系統規模不太大的情況下把16通道的延時(shí)數據存在一片CPLD中，用一片CPLD控制16通道使各插卡間得到良好的同步,對于大規模的相控陣系統,提出了改進(jìn)同步方案的設想。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn): 采用串口實(shí)現一片CPLD控制16通道超聲相控陣實(shí)驗系統的相控發(fā)射，使16通道達到很好的同步，延時(shí)分辨率可達到1ns。

參考文獻

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