基于CPLD的超聲相控陣相控發(fā)射與同步系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1 引言

過去我們采用的超聲檢測系統(tǒng)中一般使用單通道探頭實(shí)現(xiàn)，單探頭對于檢測不規(guī)則或復(fù)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(dá)性，不僅能對不規(guī)則或復(fù)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(dāng)今無損檢測領(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(gòu)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(diào)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(dá)到聚焦和聲束偏轉(zhuǎn)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(tǒng)中相控發(fā)射和同步是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),下面闡述研制的通過串口控制16 通道相控陣超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相控發(fā)射機(jī)理,并對同步問題展開了詳細(xì)討論。

2　相控陣超聲發(fā)射的原理與電路結(jié)構(gòu)

相控陣超聲發(fā)射利用了聲場的疊加干涉原理^{[3 ]}。調(diào)整饋送到各個(gè)陣元的電激勵(lì)信號(hào)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(zhuǎn)效果。相位控制的方法主要有機(jī)械式調(diào)相和電子式調(diào)相，前者基于聲延遲塊結(jié)構(gòu)，復(fù)雜笨重且精度低；后者經(jīng)歷了模擬調(diào)相階段而發(fā)展到數(shù)字調(diào)相階段，數(shù)字調(diào)相由于靈活精確且易于計(jì)算機(jī)控制而被廣泛采用^{[4 ]} 。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中就采用了數(shù)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(tǒng)超聲發(fā)射部分的原理框圖。

圖1 系統(tǒng)超聲發(fā)射部分的原理框圖

該系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)超聲探傷儀中采用高壓電脈沖激勵(lì)探頭(壓電晶片) 的方法,驅(qū)動(dòng)各晶片陣元。受硬件條件的限制，要達(dá)到高延遲分辨率，最大延遲會(huì)很小。相控發(fā)射數(shù)字延時(shí)的實(shí)現(xiàn)可以分成粗延時(shí)和細(xì)延時(shí), 粗延時(shí)一般基于晶振時(shí)鐘計(jì)數(shù), 延時(shí)值為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍, 通常為10ns以上。細(xì)延時(shí)量為采樣周期的小數(shù)倍, 一般應(yīng)達(dá)到10ns以內(nèi)的延時(shí)分辨率。其實(shí)現(xiàn)原理是，將事先計(jì)算或編輯好的延時(shí)數(shù)據(jù)存入CPLD中事先建立好的存儲(chǔ)器模塊中,在一個(gè)同步觸發(fā)信號(hào)的作用下,啟動(dòng)CPLD內(nèi)各通道延時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。每一個(gè)通道的計(jì)數(shù)器每計(jì)一次都與該通道的參數(shù)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(jì)數(shù)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(lì)脈沖^[5]。通過各通道10 ns級(jí)的激勵(lì)脈沖去激勵(lì)各自通道的AD9501（一種數(shù)字可編程延時(shí)器），其可通過數(shù)據(jù)總線設(shè)置8位數(shù)字信號(hào)確定具體的延時(shí)時(shí)間，產(chǎn)生分辨率為1ns的激勵(lì)脈沖。經(jīng)后級(jí)電路進(jìn)行幅度放大和功率驅(qū)動(dòng)后去激勵(lì)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(xiàn)

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

3. 1 　粗延時(shí)同步

為了實(shí)現(xiàn)各通道激勵(lì)脈沖能在超聲發(fā)射過程中按照我們設(shè)置的延時(shí)量延時(shí)，又因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用的是計(jì)數(shù)比較的原理來產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，所以必須實(shí)現(xiàn)各通道計(jì)數(shù)延時(shí)的一致性。我們采用一塊CPLD來控制16通道的延時(shí)，通過ISA總線給CPLD產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖，激勵(lì)16通道計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)，也就是說各通道開始工作的起始時(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(shù)據(jù)送給各通道。CPLD的內(nèi)部為每個(gè)通道提供了8位的參數(shù)輸入寄存器，通過計(jì)算機(jī)串口把提前計(jì)算好的延時(shí)數(shù)據(jù)存在各通道的8位寄存器中，使各通道計(jì)數(shù)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(nèi)的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),所以具有很高的精度和穩(wěn)定性。

3. 2 　基于AD9501的細(xì)延時(shí)同步

ADI公司生產(chǎn)的AD9501是一種數(shù)字可編程延時(shí)器，它的延遲時(shí)間通常由內(nèi)部數(shù)字寄存器中的數(shù)值決定，寄存器可以通過并行或者串行的方式訪問，是一種輸入輸出信號(hào)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)開始，當(dāng)斜波電壓超過D/C轉(zhuǎn)換器輸出電壓時(shí)，器件將結(jié)束延時(shí)。D/C轉(zhuǎn)換器電壓值由8位數(shù)字信號(hào)控制，在全程范圍內(nèi)選擇所需的延時(shí)時(shí)間,保證器件具有精確的數(shù)字延時(shí)，并可編程。其主要構(gòu)成單元有斜波產(chǎn)生器、8bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和電壓比較器。AD9501內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 AD9501內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

圖3 16通道普通二進(jìn)制計(jì)數(shù)仿真波形

毛刺的出現(xiàn)會(huì)影響到后續(xù)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(shè)置的延時(shí)量觸發(fā)。通過改變設(shè)計(jì)，即采用格雷碼計(jì)數(shù)取代普通的二進(jìn)制計(jì)數(shù)。破壞毛刺產(chǎn)生的條件，來減少毛刺的發(fā)生。仿真波形如圖4所示。

圖4 16通道格雷碼計(jì)數(shù)仿真波形

這是因?yàn)楦窭状a計(jì)數(shù)器輸出中,任何相鄰兩個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),只有一位發(fā)生變化，消除了競爭冒險(xiǎn)的發(fā)生條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。

4　大規(guī)模系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步的設(shè)想

如前所述,在小規(guī)模超聲相控陣系統(tǒng)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(guī)模超聲相控陣醫(yī)學(xué)治療采用光纖傳輸時(shí)鐘及同步信號(hào)。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(shù)字信號(hào),將其引入工業(yè)超聲相控陣系統(tǒng)以傳送時(shí)鐘和同步信號(hào)將會(huì)大大改善系統(tǒng)的同步精度。

5 　結(jié)論

闡述了筆者研制的ISA 總線16 通道超聲相控陣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相控發(fā)射原理與電路結(jié)構(gòu),對系統(tǒng)中各陣元的同步問題進(jìn)行了仔細(xì)分析,證明了在系統(tǒng)規(guī)模不太大的情況下把16通道的延時(shí)數(shù)據(jù)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(guī)模的相控陣系統(tǒng),提出了改進(jìn)同步方案的設(shè)想。

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

參考文獻(xiàn)

[1] Meyer Paul A，Anderson JW. Ultrasonic testing using phased arrays [A] .Proceedings of the 15th WCNDT[M/CD]. Rome: 2000.

[2] Didier Cassereau，Mathias Fink. The phased array ---application to time-reversal in acoustics [J].IEEE，2000：461 - 464.

[3] 程守洙，江之永編.普通物理學(xué)[M] . 北京:人民教育出版社,1982.

[4] Liu Chen，Wei Wei，Jiang Yongliang， et al. Ultrasonic digital phased array dynamic focusing system[J]. Applied Acoustics，2000 ,19(6) :14 - 18.

[5] 吳振綱，陳虎．PLC的人機(jī)接口與編程［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2005，8-1：21-23。