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    侵權投訴

    基于FPGA技術實現數字式多通道信號發射與接收系統的設計

    電子設計 ? 2020-05-31 08:00 ? 次閱讀

    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延時時序,在精確的延時時序控制下,不同單元發出的超聲波在空間發生干涉,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“扇掃”。當然這也要歸功于現代集成電路技術發展,因為發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射與接收設備已成為可能。

    基于FPGA技術實現數字式多通道信號發射與接收系統的設計

    FPGA在系統中的應用

    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,其中包括發射延時、發射選通允許、發射四選一開關、發射脈寬、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。

    發射延時控制:10ns級延時,13bits

    2ns級延時,3bits

    選通

    發開關

    空,保留

    發射脈寬(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的,只有若干周期的7.5MHz的正弦信號,一般的信號發生器沒有這種功能。利用系統上的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的超聲波發射與接收延時控制的要求。

    責任編輯:gt


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    現已提供功能強大的防篡改安全微控制器技術,作為用于SmartFusion2和 IGLOO2 FPGA....
    發表于 05-15 10:56 ? 275次 閱讀
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    如何使用FPGA實現高性能程控數字移相器的設計

    數字移相器是利用鎖相環,將輸出信號頻率設置為輸入信號頻率的 360 倍,通過數值比較器、計數器進行移....
    發表于 05-15 08:00 ? 65次 閱讀
    如何使用FPGA實現高性能程控數字移相器的設計

    ALTERA FPGA PCIE的設計指導教程

    PCI Express高性能參考設計突出了Altera@PCI Express MegaCore的硬....
    發表于 05-14 17:51 ? 75次 閱讀
    ALTERA FPGA PCIE的設計指導教程

    阿里巴巴攜手英特爾開發一款基于FPGA的解決方案

    通過使用英特爾? Arria? 10 FPGA、基于英特爾? 至強? 處理器的服務器及軟件開發工具構....
    發表于 05-14 10:53 ? 136次 閱讀
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    單片機中的數據存儲器ram

    存儲器是由許多的存儲單元集合所成,按照單元號順序進行排列。每個單元由若干三進制位構成,以表示存儲單元....
    發表于 05-13 14:03 ? 64次 閱讀
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    TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

    TMP411設備是一個帶有內置本地溫度傳感器的遠程溫度傳感器監視器。遠程溫度傳感器,二極管連接的晶體管通常是低成本,NPN或PNP型晶體管或二極管,是微控制器,微處理器或FPGA的組成部分。 遠程精度為±1 °C適用于多個設備制造商,無需校準。雙線串行接口接受SMBus寫字節,讀字節,發送字節和接收字節命令,以設置報警閾值和讀取溫度數據。 TMP411器件中包含的功能包括:串聯電阻取消,可編程非理想因子,可編程分辨率,可編程閾值限制,用戶定義的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大溫度監視器,寬遠程溫度測量范圍(高達150°C),二極管故障檢測和溫度警報功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封裝。 特性 ±1°C遠程二極管傳感器 ±1°C本地溫度傳感器 可編程非理想因素 串聯電阻取消 警報功能 系統校準的偏移寄存器 與ADT7461和ADM1032兼容的引腳和寄存器 可編程分辨率:9至12位 可編程閾值限...
    發表于 09-19 16:35 ? 174次 閱讀
    TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

    TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠程和本地溫度傳感器

    TMP468器件是一款使用雙線制SMBus或I 2 C兼容接口的多區域高精度低功耗溫度傳感器。除了本地溫度外,還可以同時監控多達八個連接遠程二極管的溫度區域。聚合系統中的溫度測量可通過縮小保護頻帶提升性能,并且可以降低電路板復雜程度。典型用例為監測服務器和電信設備等復雜系統中不同處理器(如MCU,GPU和FPGA)的溫度。該器件將諸如串聯電阻抵消,可編程非理想性因子,可編程偏移和可編程溫度限值等高級特性完美結合,提供了一套精度和抗擾度更高且穩健耐用的溫度監控解決方案。 八個遠程通道(以及本地通道)均可獨立編程,設定兩個在測量位置的相應溫度超出對應值時觸發的閾值。此外,還可通過可編程遲滯設置避免閾值持續切換。 TMP468器件可提供高測量精度(0.75°C)和測量分辨率(0.0 625°C)。該器件還支持低電壓軌(1.7V至3.6V)和通用雙線制接口,采用高空間利用率的小型封裝(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在計算系統中輕松集成。遠程結支持-55°C至+ 150°C的溫度范圍。 特性 8通道遠程二極管溫度傳感器精度:±0.75&...
    發表于 09-18 16:05 ? 116次 閱讀
    TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠程和本地溫度傳感器
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