基于FPGA超声相控阵检测设备的研究

发布时间：2017-11-24 18:01

  本文关键词：基于FPGA超声相控阵检测设备的研究

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【摘要】：超声相控阵检测技术(UPA)是一种先进的超声无损检测技术,通过对阵列换能器中各阵元进行相位控制,获得灵活可控的合成波束,并可动态控制聚焦点的位置,具有动态聚焦、电子扫查等特性,可提高检测灵敏度、分辨力和信噪比等。相控阵检测技术已经成为无损检测领域的研究热点,全数字相控阵系统更是未来的方向。由于FPGA的高集成度和强大的可编程逻辑功能,逐渐成为数字式相控阵系统搭建的主流方向。本研究基于FPGA对超声相控阵检测系统进行了研究,主要研究内容是相控高精度发射问题,数字信号接收问题和数字信号传输高速化问题。首先,对发射精度进行了理论分析,要使系统分辨率提高,延时控制的精度就必须要增加,选择了CPLD和高压数字脉冲发生器MAX4940来提高延时精度。对动态聚焦、动态可变孔径、动态变迹和数字声束形成等多种相控接收技术进行了理论分析,因为数字声束合成的稳定性较好,精度较高,可以提高合成质量,选择了数字声束形成技术构成接收系统,又因FPGA内部利用并行处理技术与流水线技术可以比较容易地实现多声束合成,选择FPGA作为相控接收的主控制器并使用PCIE接口提高数据吞吐率。接着,对超声相控阵检测系统的组成及关键模块进行了设计,发射单元采用多个独立的压电晶片组成阵列,由上位机软件设置的时序经由CPLD控制激发各个晶片,控制发射声束的焦点位置和扫查方向;接收模块由SPI接口控制各个芯片功能,信号经电压隔离,放大,滤波处理并转换为LVDS信号进入FPGA。通过FPGA控制数据经PCIE接口流入上位机,上位机对最后的数据进行处理分析。然后,对各个部分进行了仿真和实测:实测了电源的实际电压,验证了发射时序的仿真,实测了发射部分的脉冲发射,验证了基于FPGA接收部分SPI接口的仿真,实测了接收部分放大、滤波等功能,实测了PCIE接口的高速传输。实验验证:发射部分最窄的脉宽可达到25ns,延时精度达130ns,最高可以支持主频为20MHz的换能器,发射电压可达300V。接收处理部分,以80MSPS采集的10MHz正弦波进行测试,可输出较好的波形。PCIE传输部分,单TLP下不同Payload的读传输速率在稳定状态时可达到12Gbps。所得结果满足系统需要,为超声相控阵检测设备的小型化,数字化和数据传输的高速化提供了参考,对超声相控阵检测设备的优化具有重要意义。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG115.285;TN791

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本文编号：1223088