引言

超聲檢測在各種工程上有著非常廣泛的應(yīng)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(xì)微的組織結(jié)構(gòu)，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(xiàn)聚焦。但此時其焦點是固定的，而在超聲聚焦應(yīng)用中都常需要調(diào)整焦點（改變焦距和聚焦的方向），如用機(jī)械方法調(diào)焦很不方便，速度也慢。超聲相控陣的方法是用電子技術(shù)調(diào)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)量級。其次相控超聲波束很容易實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)，不用移動探頭就可以實現(xiàn)動態(tài)“扇掃”。當(dāng)然這也要歸功于現(xiàn)代集成電路技術(shù)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(shù)研制一套數(shù)字式多通道信號發(fā)射與接收設(shè)備已成為可能。

FPGA在系統(tǒng)中的應(yīng)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(shù)據(jù)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EP1C3具有的單元數(shù)、RAM以及I/O管腳等非常適合本文描述的系統(tǒng)。圍繞FPGA的系統(tǒng)設(shè)計示意圖見圖2。該相控陣系統(tǒng)采用2個64單元的探頭，通過四選一開關(guān)切換電路實現(xiàn)波束的快速移動。由于發(fā)射與接收的延時控制在納秒級，即使FPGA的時鐘為100MHz，延時控制精度也只能做到10ns。如果通過提高FPGA的時鐘頻率來實現(xiàn)更高的延時控制精度，將給電路設(shè)計帶來困難，并且成本也加大，故采用精度為2ns的延時線實現(xiàn)10ns以內(nèi)的延時要求，此時FPGA只需要3根I/O線用來控制選通延時線就可以實現(xiàn)10ns以內(nèi)的延時要求。

利用FPGA內(nèi)部的大容量RAM對接收的超聲信號進(jìn)行緩存與合成延時控制。這種延時控制可以通過圖3進(jìn)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(dāng)信號到達(dá)時，buffer的寫允許，采集一定數(shù)據(jù)量后，如果還有波束未到達(dá)就延時等待，直到參與合成的所有波束到達(dá)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(xiàn)超聲波束的合成了。當(dāng)然，利用FPGA的buffer實現(xiàn)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(jī)需要寫給FPGA的控制參數(shù)，這些參數(shù)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(guān)、發(fā)射脈寬、Buffer的大小、接收選通允許、A/D轉(zhuǎn)換開始時間、接收四選一開關(guān)以及接收延時等待。

發(fā)射延時控制：10ns級延時，13bits

2ns級延時，3bits

選通

發(fā)開關(guān)

空，保留

發(fā)射脈寬（10ns級），8bits

超聲波Buffer的大小，16bits

選通

A/D轉(zhuǎn)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(guān)

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(xiàn)精度為2ns的延時控制，對于發(fā)射來說，調(diào)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(nèi)部參數(shù)決定，并且可以修改。

對于接收延時控制是否準(zhǔn)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(chǎn)生這種特殊信號。采用VerilogHDL設(shè)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(shù)器

reg daen; // D/A允許

assign AD_DATA_OUT = AD_test; //D/A數(shù)據(jù)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(chǎn)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(zhǔn)確。實驗證明，F(xiàn)PGA加上延時線完全可以實現(xiàn)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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