基于FPGA的相控阵超声操控系统的设计与实现

发布时间：2017-09-27 05:36

  本文关键词：基于FPGA的相控阵超声操控系统的设计与实现

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【摘要】：众所周知,超声驻波能使质量较轻的小颗粒驻留在它的的声压节点处,因此能够通过有规律地移动声压节点来实现对悬浮物体的操控。在传统一维声操控系统的研究中,超声波束的声轴与悬浮颗粒的重力方向平行,通过控制超声波探头发射超声波的相位或频率的方式,可以沿着固定声轴对悬浮物体进行操控。论文提出了一种基于FPGA的相控阵超声操控系统新设计方案,在三维空间空气中对超声驻波悬浮操控进行研究。利用四块相控阵探头板构成操控的三维空间环境,并且在三维空间中产生一个超声聚焦点,同时利用两两相对放置的探头板来产生超声驻波,则在超声聚焦点附近的驻波节点将具有足够的声场辐射力来平衡放入三维空间中的小颗粒的重力,从而达到对空中小颗粒的捕获目的。然后让由四块相控阵产生的超声聚焦点随着驻波节点的移动而移动进而就能保证稳定、可靠第操控捕获到的小颗粒。新方案设计的超声驻波悬浮操控系统有两个特点,一是能在三维空间任意位置处产生超声驻波且波束的方向是任意的;另一个是超声聚焦点跟随驻波节点移动,保证节点处声压的稳定。论文研究的超声波频率是40KHz,操控的环境是三维空间空气中。首先,论文分析了超声驻波悬浮操控的国内外研究现状,认识到要进行相控阵超声操控系统的研究与设计,必须对相控阵超声发射聚焦和相控阵超声驻波悬浮原理有很好的掌握,故论文首先对相控阵超声驻波悬浮机理进行了研究,分析了一定体积聚氯乙烯小球在与其重力平行方向上的受力情况。其次,论文提出了相控阵超声操控系统的总体设计方案,包括USB3.0转FPGA接口板方案、驱动板方案、探头板方案和ACDC电源方案。并根据方案利用Cadence软件完成了硬件电路的设计与实现,最重要的是对驱动板上驱动电路的设计。为后续验证基于新方案系统的超声操控性能搭建起了硬件平台。接着,设计并完成了系统两个主要部分的FPGA设计,包括焦点坐标模块和延迟发射模块的设计与部分仿真,并利用ComSol5.0软件对三维声场进行了仿真与分析。最后,对设计的驱动单元电路进行了测试与分析,并搭建系统硬件平台,加载FPGA代码对撒入三维空气中直径1.5mm泡沫小颗粒进行了实验验证,并对验证结果进行了分析。
【关键词】：相控阵 FPGA 空中 驻波悬浮 ComSol5.0
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB559
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 超声驻波悬浮操控系统研究背景与意义8-10
• 1.2 国内外研究现状与趋势10-13
• 1.2.1 超声驻波悬浮操控技术概述10-11
• 1.2.2 国内外超声驻波悬浮技术研究现状与趋势11-12
• 1.2.3 国内外超声驻波操控技术研究现状与趋势12-13
• 1.3 论文研究目标13
• 1.4 论文主要研究内容及安排13-15
• 第2章 相控阵超声操控原理分析15-19
• 2.1 相控阵超声驻波悬浮原理概述15-16
• 2.1.1 超声驻波声压节点简介15
• 2.1.2 相控阵超声操控原理概述15-16
• 2.2 超声辐射势能16-17
• 2.3 相控阵超声驻波声压分布17-18
• 2.4 相控阵超声驻波悬浮原理18
• 2.5 本章小结18-19
• 第3章 相控阵超声操控系统方案设计19-24
• 3.1 相控阵超声操控系统总体方案设计19-20
• 3.2 USB转FPGA接口板方案设计20-21
• 3.3 探头板方案设计21
• 3.4 驱动板方案设计21-22
• 3.5 ACDC电源设计方案22-23
• 3.6 本章小结23-24
• 第4章 相控阵超声操控系统硬件设计与实现24-35
• 4.1 Cadence Allegro SPB 16.3 软件概述及设计流程24-27
• 4.1.1 Cadence Allegro SPB 16.3 软件概述24-26
• 4.1.2 Cadence Allegro SPB 16.3 设计流程26-27
• 4.2 探头板硬件设计与实现27-29
• 4.2.1 探头板硬件设计27-29
• 4.2.3 探头板硬件实现29
• 4.3 驱动板硬件设计与实现29-34
• 4.3.1 驱动板电源接口电路29-30
• 4.3.2 驱动板电压转换电路设计30-31
• 4.3.3 JTAG下载接口电路设计31-32
• 4.3.4 FPGA配置芯片EPCS及外围电路设计32-33
• 4.3.5 驱动板驱动单元电路设计33-34
• 4.3.6 驱动板硬件实现34
• 4.4 本章小结34-35
• 第5章 相控阵超声操控系统的FPGA设计35-47
• 5.1 FPGA编程设计概述35-37
• 5.1.1 FPGA编程原理35-36
• 5.1.2 FPGA开发设计流程36-37
• 5.2 焦点坐标模块的FPGA设计37-43
• 5.2.1 焦点移动坐标计算模块的FPGA设计37-39
• 5.2.2 串口顶层模块的FPGA设计39-43
• 5.3 相控阵超声聚焦发射延迟的FPGA设计43-45
• 5.3.1 相控阵超声聚焦发射延迟原理43-45
• 5.3.2 发射延迟模块的FPGA设计思路与仿真45
• 5.4 系统声场的仿真45-46
• 5.5 本章小结46-47
• 第6章 系统的测试与验证47-51
• 6.1 驱动单元电路测试与分析47-48
• 6.2 单块相控阵超声驻波悬浮性能测试与分析48-49
• 6.3 系统验证49-51
• 第7章 总结与展望51-52
• 7.1 论文总结51
• 7.2 下一步工作展望51-52
• 参考文献52-55
• 攻读硕士期间发表论文与科研情况55-56
• 致谢56-57
• 附录57-78

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本文编号：927925