基于FPGA的高集成度超声波相控阵激发系统

骆　英，仇　鹤，张文干，王自平

(1．江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江　212013；2．江苏大学机械工程学院，江苏镇江　212013；3．江苏大学理学院，江苏镇江　212013)

0　引言

随着现代工业的高速发展，社会对各类机械结构的安全性和可靠性的要求越来越高[1]。受周期性载荷的影响，机械工件的焊接处易发生应力集中现象，导致焊接处产生裂纹、断裂等。因此，必须对机械结构进行无损检测以实现对其损伤的早期识别，从而采取措施保证机械结构的安全运行。超声相控阵无损检测技术可以高速、全方位和多角度地对损伤进行检测，有效解决了结构损伤检测中咨询波可达性差和空间限制等问题，具有广阔的应用前景[2-3]。

目前的相控阵超声波激发技术是通过在换能器两端施加高压脉冲产生超声波[4-5]，这种激发方式简单可靠，但发射信号参数难以调控，限制了后续的检测分辨率。文中利用FPGA所具有的丰富逻辑资源在片内构建波形数据并完成精确延时控制，探讨一种新型的多通道数字化超声相控发射系统，阐明了系统的结构与工作原理，并通过试验对系统输出信号的特性及延时分辨率进行研究。

1　系统的结构框图及功能概述

系统的整体结构框图如图1所示，由信号发生模块产生频率、相位任意可调的波形数据，经信号调理模块放大后激励换能器产生超声波，最后采用示波器进行激励信号的接收处理。

图1　系统的结构框图

1．1信号发生模块

1．1．1FPGA片上系统

FPGA片上采用自顶向下模块化的设计思想。首先根据拟被激励波形的函数表达式计算出波形的量化数据并导入片上ROM，在FPGA片内构建地址发生器顺序读出ROM中的数据并送入D/A模块进行数模转换。串行设计思想也正是体现在这，即对FPGA的部分I/O进行复用，从而实现多通道发射功能。利用FPGA的并行处理能力，在激励信号产生的同时计算各个阵元激励的延时值，从而控制D/A的启动时刻。激励信号采用窄带正弦调制信号[6]，对应于系统换能器中心频率250 kHz，将激励信号频率调制在该位置。波形的保真度由量化数据点数决定，对应250 kHz的激励信号，在单周期内取1 024点，能够很好地将信号再现。

1．1．2相控发射延时算法

在相控发射状态下，系统按照不同的延时值激励阵列换能器产生超声波，预设的延时值需要通过一定的数学算法来实现，因此延时算法是实现精确延时的重要步骤。相控偏转的几何关系如图2所示。

图2　相控阵偏转几何关系

根据三角关系易得换能器n与换能器0之间的延时为：

(1)

式中：d为相邻阵元的阵元中心距；θ为超声波偏转角度；n为阵元数目；ΔSn为换能器n与换能器0之间的波程差；c为超声波传播速度。

1．1．3相控发射延时算法的实现

基于系统FPGA主控芯片，通过DSP Builder实现算法的功能，采用VHDL硬件语言在片内构建算法模块，在QuartusⅡ中进行编译、综合、仿真，最终实现相控发射延时。DSP Builder是一个算法级设计工具，它通过数学分析工具Matlab/Simlink进行图形化设计和仿真，然后将模型设计文件转成VHDL设计文件，对于综合以及后续的工作则由QuartusⅡ完成。在DSP builder环境下算法程序如图3所示。

图3　延时模块框图

为了验证采用DSP Builder作为延时算法片内运算模块的可行性，对算法模块运算值与理论值进行比较。系统中相邻换能器阵元间距取5 mm，超声波在铝板中的传播速度为5 940 m/s，假设波束偏转方向为60°，即θ=60°时，由式(1)可以得到

(2)

理论计算出的各通道延时值和通过延时算法程序得出的仿真结果对照如表1所示。

表1　理论延时值与仿真值

在数字芯片内部，数字以二进制的形式存在，三角函数运算在FPGA内部以查找表方式实现，会形成微小偏差。经表1比较可知，理论值和仿真值的误差在0．1 ns范围内，满足精确延时要求。

1．1．4相控发射过程中精细延时控制的研究

相控粗延时主要基于系统时钟，延时分辨率取决于时钟频率的提高，且高频率时钟对硬件电路的要求高，会对信号产生耦合干扰。因此有必要专门研究对精细相控延时的途径。利用在FPGA片内存储同频率异相位数字化波形的方法即可实现相位的细调。对应系统波形量化点数1 024，构建一张1 024点的波形数据存储表(单周期)，当需要两个通道发射不同相位的波形时，从表中错开地址取数即可。如：对应于250 kHz的激励信号，系统时钟为85．3 MHz(为了使间隔点数为整数)时，则每隔250 kHz×1 024/85．3 MHz≈3点取数。如此，两个通道中的信号就产生了不同的相位，从而达到精细延时的目的。

系统中，一个周期中波形的相位分辨率为

ΔP=2π/1 024=0.006

(3)

根据θ=ωt，将相位转换为时间，易得延时分辨率为：

t=4.78 ns

由式(3)可见，波形的相位分辨率只与周期波形数据存储表的长度有关，因此，基于此方法得到的波形相位分辨率在理论上可达到无限细分。

1．2信号调理模块

信号调理模块由D/A、差分放大电路及电压跟随器组成。对应于FPGA内部构建的波形存储器位数，系统选用14位数模转换器DAC904，该芯片为2路，差分输出模式，在终端通过精密电阻将电流信号转换为电压信号，最终输出峰峰值为1 V的信号。差分模块选用超低噪声芯片AD797，放大倍数设置为2倍。为了提高系统电路的负载能力，在差分模块后加上电压跟随器。单通道的差分放大电路及电压跟随器如图4所示。

图4　信号放大电路

1．3换能器

换能器用于将电信号转化为超声波信号。前文所设计电路即用于产生参数可调的电信号，从而激励换能器产生超声波。系统中换能器由OPCM自制而成。OPCM是由压电相材料与聚合物材料按照一定连通方式构成具有压电正交异性特性的复合材料[7]。

2　试验验证

2．1试验平台

验证性试验中针对相控阵超声发射电路激励信号的特性(时域特性及频域特性)以及相控延时的分辨率进行了研究，试验装置框图如图5所示。FPGA开发板作为系统的核心控制单元，主要用于产生250 kHz的窄带正弦调制信号的数字信号以及在片上构建延时算法。信号调理电路板主要由D/A、放大模块组成，作用是将激励信号的数字信号转换为模拟信号，经放大模块后输出具有一定幅值和驱动能力的交流信号。选用HP-54820A型示波器作为系统的接收单元，采集超声波的回波信号进行频谱分析，PC机主要用于计算各个通道的延时值，并经串口送入FPGA中，同时对示波器接收到的信号做处理。

图5　试验装置示意图

2．2激励信号的产生与研究

为了验证信号驱动电路的工作性能，编写了有延时的四通道程序，激励信号频率设置为250 kHz，将编译无误的程序下载到FPGA中，经过信号调理电路处理，得到四通道时域波形如图6(a)所示。对单通道的信号做频谱分析，对应于250 kHz窄带正弦调制信号的频域图如6(b)所示。

从图6可以直观看出各通道的激励信号波形稳定，延时特征明显。激励信号峰峰值为2 V，中心频率在250 kHz附近，能量主要集中在中心频率周围，整个放大电路的幅频特性良好。

2．3延时特性测试

采用前两通道对延时精度进行验证。换能器间距取1 mm，超声波波速为5 940 m/s，相控偏转角度为30°，根据式(1)，可得第二通道相对于第一通道的延时值为84．2 ns，以此延时值编写程序下载至FPGA，最终得到两通道波形如图7所示。对图像进行局部放大，以窄带正弦调制信号的第二个上升沿过零点为基准，测量两通道的相对延时值为85 ns，与理论值相差0.8 ns，相对误差为0．95%。

(a)激励信号时域图

(b)激励信号频谱图

图7　细延时波形图

采取不同的偏转角度，多次测量。比较两通道相对延时值，记录结果如表2所示。分析表中数据可以得出，不同偏转角度下相邻两通道的延时差对应的理论值和实测值相对误差小于1%，数据吻合程度较好。

3　结束语

设计的基于FPGA技术的多通道相控阵超声波发射系统，利用串行发射方式进行相控阵超声波的发射。通过对软、硬件的设计和完善达到了比较好的系统集成度和测试精度，对超声相控发射系统集成度的提高与系统的优化具有积极的意义。

参考文献：

[1]Research on ultrasonic phased array system for automatic defect detection of pipeline girth welds．Proceedings of 9th International Conference on Electronic Measurement and Instruments．2009，8：16-19．

表2　延时数据

[2]FRANK M．Phased arrays for ultrasonic investigations in concrete com-ponents．Journal of Nondestructive Evaluation．2008(27)：23-33．

[3]钟德煌，郑攀忠．便携式相控探伤仪在焊缝超声检测技术中的应用．无损检测，2009(33)：233-235．

[4]WANG Z P，LUO Y．Optimal design of OPCM sensor by the orthotropic ratio．Key Engineering Materials，2011，464：350-353．(EI：20111213770620)．

[5]彭鸽，袁慎芳．主动Lamb波监测技术中的传感元件优化布置研究．航空学报，2006(5)：957-960．

[6]冯红亮，肖定国，徐春广，等．脉冲超声传感器激发/接收电路设计．仪表技术与传感器，2003(11)：30-32．

[7]LUO Y，TAO B Q．The OPCM strain gangs for strain and stress measurement of orthotropic material structures．Alta Mechanical Solid Sinica，2000，13(4)：337-345．