摘要：本文描述了如何利用FPGA在系統(tǒng)中實現高精度相控發(fā)射與接收。所有的發(fā)射和接收參數PC機計算并通過ISA總線寫入FPGA的。
關鍵詞：相控陣；超聲檢測；電子掃查；FPGA
引言
超聲檢測在各種工程上有著非常廣泛的應用，而且聲束聚焦對于超聲診斷也愈來愈重要，因為人們總是希望看到更小、更細微的組織結構，這不僅要求提高工作頻率、而且要求聲束聚焦。聲束的聚焦類似于光束通過透鏡的原理，最簡單的方法是將換能器直接作成凹面陣實現聚焦。但此時其焦點是固定的，而在超聲聚焦應用中都常需要調整焦點(改變焦距和聚焦的方向)，如用機械方法調焦很不方便，速度也慢。超聲相控陣的方法是用電子技術調整焦點位置和聚焦的方向，它的基本思想是控制超聲探頭中不同單元之間的觸發(fā)延時時序，在精確的延時時序控制下，不同單元發(fā)出的超聲波在空間發(fā)生干涉，產生所需要的合成波束（見圖1）。相控超聲波的這種特性非常適合于無損檢測。首先可以通過電子切換選用不同的單元，實現波束的快速移動（即電子掃查），明顯提高缺陷的檢測效率，比單個單元的常規(guī)探頭檢測速度快一個數量級。其次相控超聲波束很容易實現波束偏轉，不用移動探頭就可以實現動態(tài)“扇掃”。當然這也要歸功于現代集成電路技術發(fā)展，因為發(fā)射與接收的延時控制在納秒級，而且信號的采樣與處理需要很高的吞吐量，針對上述特點，采用FPGA技術研制一套數字式多通道信號發(fā)射與接收設備已成為可能。
圖1 相控超聲波束偏轉與聚焦控制延時時序示意圖
FPGA在系統(tǒng)中的應用
由于該系統(tǒng)涉及到許多控制信號的時序配合和大容量數據的緩沖問題，采用FPGA可以很好的滿足系統(tǒng)要求。比如Altera的Cyclone系列的EP
圖2 FPGA在發(fā)射與接收延時控制中的應用
利用FPGA內部的大容量RAM對接收的超聲信號進行緩存與合成延時控制。這種延時控制可以通過圖3進行解釋。在FPGA中為每一路參與合成的超聲波束開辟一個相同容量的buffer（比如2kbytes）。當信號到達時，buffer的寫允許，采集一定數據量后，如果還有波束未到達就延時等待，直到參與合成的所有波束到達并采集后，所有buffer的讀同時允許，通過D/A和模擬加法電路就可以實現超聲波束的合成了。當然，利用FPGA的buffer實現的延時精度只有10ns，所以D/A后面仍然需要延時線配合。表1.列出了上位機需要寫給FPGA的控制參數，這些參數通過ISA總線，以word（16bits）的形式寫入，其中包括發(fā)射延時、發(fā)射選通允許、發(fā)射四選一開關、發(fā)射脈寬、Buffer的大小、接收選通允許、A/D轉換開始時間、接收四選一開關以及接收延時等待。
圖 3. 利用FPGA內部RAM對接收波束進行緩存與合成控制
表1 上位機需要寫給FPGA的控制參數
發(fā)射延時控制：10ns級延時，13bits
2ns級延時，3bits
選通
發(fā)開關
空，保留
發(fā)射脈寬（10ns級），8bits
超聲波Buffer的大小，16bits
選通
A/D轉換開始時間(也就是Buffer寫允許相對于同步脈沖延時)，10ns級，15bits
收開關
接收延時等待，10ns級，11bits
2ns級延時，3bits
精確延時控制驗證方法
利用FPGA與延時線的方法實現精度為2ns的延時控制，對于發(fā)射來說，調試與驗證比較容易，只需要一個多通道500MHz的示波器就可以了。從FPGA發(fā)射一個方波同步脈沖和一個方波激勵脈沖，一級一級的往后測試，直至相控陣探頭。通過示波器可以觀察從FPGA到探頭整個電路的系統(tǒng)延時以及激勵脈沖相對于同步脈沖的延時間隔，該間隔由FPGA內部參數決定，并且可以修改。
對于接收延時控制是否準確的驗證稍微困難一些。因為接收的不是方波脈沖，而是7.5MHz（探頭單元固有頻率）的近似正弦超聲信號。為了驗證延時控制是否正確，需要在超聲波接收電路之前加上一個不連續(xù)的，只有若干周期的7.5MHz的正弦信號，一般的信號發(fā)生器沒有這種功能。利用系統(tǒng)上的FPGA配合100MHz D/A比較容易產生這種特殊信號。采用VerilogHDL設計的FPGA程序如下：
reg [3:0] da_cnt; //正弦表指針
reg [15:0] da_encnt; //D/A允許計數器
reg daen; // D/A允許
assign AD_DATA_OUT = AD_test; //D/A數據總線
always @ (posedge CLK) //D/A允許控制da_encnt
begin
if(SYN_PULSE)da_encnt <= 16'b0;
else da_encnt <= da_encnt + 1;
end
always @ (posedge CLK) //daen
begin
if(da_encnt > 65) daen <= 1'b0; //一共輸出5個周期
else daen <= 1'b1;
end
always @ (posedge CLK) //正弦表指針da_cnt修改
begin
if( (SYN_PULSE)||(da_cnt >= 12) ) da_cnt <= 4'b0;
else
begin
if(daen) da_cnt <= da_cnt + 1;
else da_cnt <= 4'b0;
end
end
always @ (posedge CLK) //通過D/A輸出正弦表
begin
case(da_cnt[3:0])
4'b0000: AD_test <= 128; //0
4'b0001: AD_test <= 187;
4'b0010: AD_test <= 233;
4'b0011: AD_test <= 255;
4'b0100: AD_test <= 248;
4'b0101: AD_test <= 213;
4'b0110: AD_test <= 159;
4'b0111: AD_test <= 97;
4'b1000: AD_test <= 43;
4'b1001: AD_test <= 8;
4'b1010: AD_test <= 1;
4'b1011: AD_test <= 23;
4'b1100: AD_test <= 69; //12
default: AD_test <= 128; //13
endcase
end
通過上述方法可以產生出比較好的接近7.5MHz的若干周期的正弦波形，將該波形加到其它電路板超聲波接收電路之前，可以驗證接收延時控制是否準確。實驗證明，FPGA加上延時線完全可以實現精度為2ns的超聲波發(fā)射與接收延時控制的要求。
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