基于CPLD的超聲相控陣相控發射與同步系統的實現

1 引言

過去我們采用的超聲檢測系統中一般使用單通道探頭實現，單探頭對于檢測不規則或復雜形狀的工件，可靠性差，容易造成誤判或(和)漏判。我們利用超聲相控陣原理采用多通道探頭進行超聲檢測，采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，具有良好的聲束可達性，不僅能對不規則或復雜形狀的工件進行探查，而且能提高檢測速度。

超聲相控陣技術是當今無損檢測領域的研究熱點，它的原理是，由多個換能器陣元排列成一定形狀構成超聲陣列換能器，每個陣元都可以發射或接收超聲波，分別調整每個陣元發射/ 接收的相位延遲，產生具有不同相位的超聲子波束在空間疊加干涉，達到聚焦和聲束偏轉的效果^{[1 ]}。它的優點是采用電控方式聚焦，能非常靈活、便捷地改變聲束形狀、指向和焦點，而且精度容易保證。在無損檢測中相控陣超聲技術能提高信噪比、檢測靈敏度及檢測效率^{[2 ]} 。

超聲相控陣系統中相控發射和同步是一個關鍵環節,下面闡述研制的通過串口控制16 通道相控陣超聲實驗系統的相控發射機理,并對同步問題展開了詳細討論。

2　相控陣超聲發射的原理與電路結構

相控陣超聲發射利用了聲場的疊加干涉原理^{[3 ]}。調整饋送到各個陣元的電激勵信號的延遲，使得各陣元發射的超聲子波束在空間疊加合成，形成所需的聲束聚焦和(或)偏轉效果。相位控制的方法主要有機械式調相和電子式調相，前者基于聲延遲塊結構，復雜笨重且精度低；后者經歷了模擬調相階段而發展到數字調相階段，數字調相由于靈活精確且易于計算機控制而被廣泛采用^{[4 ]} 。

該實驗系統中就采用了數字式發射延時電路作為相控陣超聲發射的核心單元,圖1 為系統超聲發射部分的原理框圖。

圖1 系統超聲發射部分的原理框圖

該系統采用了傳統超聲探傷儀中采用高壓電脈沖激勵探頭(壓電晶片) 的方法,驅動各晶片陣元。受硬件條件的限制，要達到高延遲分辨率，最大延遲會很小。相控發射數字延時的實現可以分成粗延時和細延時, 粗延時一般基于晶振時鐘計數, 延時值為時鐘周期的整數倍, 通常為10ns以上。細延時量為采樣周期的小數倍, 一般應達到10ns以內的延時分辨率。其實現原理是，將事先計算或編輯好的延時數據存入CPLD中事先建立好的存儲器模塊中,在一個同步觸發信號的作用下,啟動CPLD內各通道延時計數器開始計數。每一個通道的計數器每計一次都與該通道的參數輸入寄存器的值進行比較，如果比較相同則輸出為高電平，不同則輸出低電平壓。延時計數器100MHz 時鐘, 則每個通道就會產生延時分辨率為10 ns，脈寬也為10 ns的激勵脈沖^[5]。通過各通道10 ns級的激勵脈沖去激勵各自通道的AD9501（一種數字可編程延時器），其可通過數據總線設置8位數字信號確定具體的延時時間，產生分辨率為1ns的激勵脈沖。經后級電路進行幅度放大和功率驅動后去激勵壓電陣元激發超聲波。

3 　相控陣超聲發射的同步實現

前面已闡述了陣列換能器各陣元延遲的實現,即能產生不同的激勵脈沖。但這些激勵脈沖能否在超聲發射過程中按照我們設置的延時量延時,這就牽涉到各通道輸出激勵脈沖的一致性及通道間同步問題。以下進行具體討論。

3. 1 　粗延時同步

為了實現各通道激勵脈沖能在超聲發射過程中按照我們設置的延時量延時，又因為該系統采用的是計數比較的原理來產生激勵脈沖，所以必須實現各通道計數延時的一致性。我們采用一塊CPLD來控制16通道的延時，通過ISA總線給CPLD產生一個同步脈沖，激勵16通道計數器同時計數，也就是說各通道開始工作的起始時刻一定要一致。由于每次測量時，各通道的延時量不一樣，需要每次測量時及時把延時數據送給各通道。CPLD的內部為每個通道提供了8位的參數輸入寄存器，通過計算機串口把提前計算好的延時數據存在各通道的8位寄存器中，使各通道計數比較的延時時間一樣，這個延時時間是固定的，它由CPLD本身決定。這樣各通道的延時時間就會保持一致性。各通道發射延遲采用CPLD 內的數字電路實現,所以具有很高的精度和穩定性。

3. 2 　基于AD9501的細延時同步

ADI公司生產的AD9501是一種數字可編程延時器，它的延遲時間通常由內部數字寄存器中的數值決定，寄存器可以通過并行或者串行的方式訪問，是一種輸入輸出信號具有可編程功能的時間延時器。其工作原理是，觸發脈沖上升沿觸發延時開始，當斜波電壓超過D/C轉換器輸出電壓時，器件將結束延時。D/C轉換器電壓值由8位數字信號控制，在全程范圍內選擇所需的延時時間,保證器件具有精確的數字延時，并可編程。其主要構成單元有斜波產生器、8bit數模轉換器(DAC)和電壓比較器。AD9501內部結構如圖2。

圖2 AD9501內部結構

基于CPLD的粗延時采用普通的二進制計數器時，16通道輸出脈沖有毛刺的出現，如圖3

圖3 16通道普通二進制計數仿真波形

毛刺的出現會影響到后續的觸發電路，電路會產生誤動作，有毛刺通道的AD9501觸發時刻不是按照設置的延時量觸發。通過改變設計，即采用格雷碼計數取代普通的二進制計數。破壞毛刺產生的條件，來減少毛刺的發生。仿真波形如圖4所示。

圖4 16通道格雷碼計數仿真波形

這是因為格雷碼計數器輸出中,任何相鄰兩個狀態轉換時,只有一位發生變化，消除了競爭冒險的發生條件，避免了毛刺的產生。

4　大規模系統中實現同步的設想

如前所述,在小規模超聲相控陣系統中各電路板采用了同一個采樣時鐘,則在理論上就可將延時誤差完全消除。大規模超聲相控陣醫學治療采用光纖傳輸時鐘及同步信號。光纖具有高速、靈活、體積小、抗干擾等優點,非常適于傳輸高速數字信號,將其引入工業超聲相控陣系統以傳送時鐘和同步信號將會大大改善系統的同步精度。

5 　結論

闡述了筆者研制的ISA 總線16 通道超聲相控陣實驗系統的相控發射原理與電路結構,對系統中各陣元的同步問題進行了仔細分析,證明了在系統規模不太大的情況下把16通道的延時數據存在一片CPLD中，用一片CPLD控制16通道使各插卡間得到良好的同步,對于大規模的相控陣系統,提出了改進同步方案的設想。

本文作者創新點: 采用串口實現一片CPLD控制16通道超聲相控陣實驗系統的相控發射，使16通道達到很好的同步，延時分辨率可達到1ns。

參考文獻

[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，江之永編.普通物理學[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] 吳振綱，陳虎．PLC的人機接口與編程［J］．微計算機信息，2005，8-1：21-23。