基于CPLD的超声相控阵相控发射与同步系统的实现
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关键词：超声检测；相位控制；CPLD；同步
1 引言
过去我们采用的超声检测系统中一般使用单通道探头实现，单探头对于检测不规则或复杂形状的工件，可靠性差，容易造成误判或(和)漏判。我们利用超声相控阵原理采用多通道探头进行超声检测，采用电子方法控制声束聚焦和扫描，具有良好的声束可达性，不仅能对不规则或复杂形状的工件进行探查，而且能提高检测速度。
超声相控阵技术是当今无损检测领域的研究热点，它的原理是，由多个换能器阵元排列成一定形状构成超声阵列换能器，每个阵元都可以发射或接收超声波，分别调整每个阵元发射/ 接收的相位延迟，产生具有不同相位的超声子波束在空间叠加干涉，达到聚焦和声束偏转的效果[1 ]。它的优点是采用电控方式聚焦，能非常灵活、便捷地改变声束形状、指向和焦点，而且精度容易保证。在无损检测中相控阵超声技术能提高信噪比、检测灵敏度及检测效率[2 ] 。
超声相控阵系统中相控发射和同步是一个关键环节,下面阐述研制的通过串口控制16 通道相控阵超声实验系统的相控发射机理,并对同步问题展开了详细讨论。
2 相控阵超声发射的原理与电路结构
相控阵超声发射利用了声场的叠加干涉原理[3 ]。调整馈送到各个阵元的电激励信号的延迟，使得各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，形成所需的声束聚焦和(或)偏转效果。相位控制的方法主要有机械式调相和电子式调相，前者基于声延迟块结构，复杂笨重且精度低；后者经历了模拟调相阶段而发展到数字调相阶段，数字调相由于灵活精确且易于计算机控制而被广泛采用[4 ] 。
该实验系统中就采用了数字式发射延时电路作为相控阵超声发射的核心单元,图1 为系统超声发射部分的原理框图。
图1 系统超声发射部分的原理框图
该系统采用了传统超声探伤仪中采用高压电脉冲激励探头(压电晶片) 的方法,驱动各晶片阵元。受硬件条件的限制，要达到高延迟分辨率，最大延迟会很小。相控发射数字延时的实现可以分成粗延时和细延时, 粗延时一般基于晶振时钟计数, 延时值为时钟周期的整数倍, 通常为10ns以上。细延时量为采样周期的小数倍, 一般应达到10ns以内的延时分辨率。其实现原理是，将事先计算或编辑好的延时数据存入CPLD中事先建立好的存储器模块中,在一个同步触发信号的作用下,启动CPLD内各通道延时计数器开始计数。每一个通道的计数器每计一次都与该通道的参数输入寄存器的值进行比较，如果比较相同则输出为高电平，不同则输出低电平压。延时计数器100MHz 时钟, 则每个通道就会产生延时分辨率为10 ns，脉宽也为10 ns的激励脉冲[5]。通过各通道10 ns级的激励脉冲去激励各自通道的AD9501（一种数字可编程延时器），其可通过数据总线设置8位数字信号确定具体的延时时间，产生分辨率为1ns的激励脉冲。经后级电路进行幅度放大和功率驱动后去激励压电阵元激发超声波。
3 相控阵超声发射的同步实现
前面已阐述了阵列换能器各阵元延迟的实现,即能产生不同的激励脉冲。但这些激励脉冲能否在超声发射过程中按照我们设置的延时量延时,这就牵涉到各通道输出激励脉冲的一致性及通道间同步问题。以下进行具体讨论。
3. 1 粗延时同步
为了实现各通道激励脉冲能在超声发射过程中按照我们设置的延时量延时，又因为该系统采用的是计数比较的原理来产生激励脉冲，所以必须实现各通道计数延时的一致性。我们采用一块CPLD来控制16通道的延时，通过ISA总线给CPLD产生一个同步脉冲，激励16通道计数器同时计数，也就是说各通道开始工作的起始时刻一定要一致。由于每次测量时，各通道的延时量不一样，需要每次测量时及时把延时数据送给各通道。CPLD的内部为每个通道提供了8位的参数输入寄存器，通过计算机串口把提前计算好的延时数据存在各通道的8位寄存器中，使各通道计数比较的延时时间一样，这个延时时间是固定的，它由CPLD本身决定。这样各通道的延时时间就会保持一致性。各通道发射延迟采用CPLD 内的数字电路实现,所以具有很高的精度和稳定性。
3. 2 基于AD9501的细延时同步
ADI公司生产的AD9501是一种数字可编程延时器，它的延迟时间通常由内部数字寄存器中的数值决定，寄存器可以通过并行或者串行的方式访问，是一种输入输出信号具有可编程功能的时间延时器。其工作原理是，触发脉冲上升沿触发延时开始，当斜波电压超过D/C转换器输出电压时，器件将结束延时。D/C转换器电压值由8位数字信号控制，在全程范围内选择所需的延时时间,保证器件具有精确的数字延时，并可编程。其主要构成单元有斜波产生器、8bit数模转换器(DAC)和电压比较器。AD9501内部结构如图2。
图2 AD9501内部结构
基于CPLD的粗延时采用普通的二进制计数器时，16通道输出脉冲有毛刺的出现，如图3
图3 16通道普通二进制计数仿真波形
毛刺的出现会影响到后续的触发电路，电路会产生误动作，有毛刺通道的AD9501触发时刻不是按照设置的延时量触发。通过改变设计，即采用格雷码计数取代普通的二进制计数。破坏毛刺产生的条件，来减少毛刺的发生。仿真波形如图4所示。
图4 16通道格雷码计数仿真波形
这是因为格雷码计数器输出中,任何相邻两个状态转换时,只有一位发生变化，消除了竞争冒险的发生条件，避免了毛刺的产生。
4 大规模系统中实现同步的设想
如前所述,在小规模超声相控阵系统中各电路板采用了同一个采样时钟,则在理论上就可将延时误差完全消除。大规模超声相控阵医学治疗采用光纤传输时钟及同步信号。光纤具有高速、灵活、体积小、抗干扰等优点,非常适于传输高速数字信号,将其引入工业超声相控阵系统以传送时钟和同步信号将会大大改善系统的同步精度。
5 结论
阐述了笔者研制的ISA 总线16 通道超声相控阵实验系统的相控发射原理与电路结构,对系统中各阵元的同步问题进行了仔细分析,证明了在系统规模不太大的情况下把16通道的延时数据存在一片CPLD中，用一片CPLD控制16通道使各插卡间得到良好的同步,对于大规模的相控阵系统,提出了改进同步方案的设想。
本文作者创新点: 采用串口实现一片CPLD控制16通道超声相控阵实验系统的相控发射，使16通道达到很好的同步，延时分辨率可达到1ns。
参考文献
[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，江之永编.普通物理学[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] 吴振纲，陈虎．PLC的人机接口与编程［J］．微计算机信息，2005，8-1：21-23。
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