基于FPGA的128通道超声相控阵数字控制模块设计

论文摘要

超声相控阵探伤技术是无损检测技术中的一个重要分支,被广泛应用于工业探伤、医学超声检查等领域。论文完成了128通道高集成度超声相控阵硬件系统电路设计和基于FPGA的数字控制模块设计,并对设计的数字控制模块进行了仿真和测试。论文具体工作内容及主要成果如下:研究了超声波探伤技术和超声相控阵的基本原理,推导了超声相控阵在声束偏转和聚焦情况下阵元延时时间的计算公式,研究了超声相控阵孔径大小对探伤效果的影响,介绍了超声相控阵中的两种基本扫查方式即线扫和扇扫。采用全集成方案完成了高集成度128通道超声相控阵系统硬件电路的设计,针对可能出现的信号和电源完整性问题如反射、串扰、电源轨道塌陷等做出PCB设计优化,提出阻抗控制要求并定制了PCB叠层结构,基于HyperLynx仿真软件完成整块PCB板卡的设计。完成整个FPGA数字控制模块设计,包括FPGA整体功能模块划分、跨时钟域信号处理、1.25 ns高精度发射延时算法设计、AFE5832模块控制、声束合成算法设计、数据传输及缓存模块设计等,针对AFE5832模块的控制设计了SPI配置流程、LVDS时钟相位延时校准算法和数据接收模块。完成FPGA数字控制模块各模块的仿真和测试,包括发射延时精度仿真、AFE5832接收模块SPI配置及数据接收仿真、声束合成模块仿真等,最后编写测试上位机软件,在一块旧板卡上完成对数据传输及缓存模块的测试。仿真及测试结果表明,论文所设计的FPGA数字控制模块逻辑正确,数据传输及缓存模块工作稳定可靠。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文研究意义及主要工作

第二章超声相控阵探伤技术原理

2.1 超声波探伤技术基本原理

2.2 超声相控阵原理

2.2.1 超声相控阵基本原理

2.2.2 超声相控阵延时时间的计算

2.2.3 超声相控阵孔径大小对检测的影响

2.3 超声相控阵扫查方式研究

2.4 本章小结

第三章硬件设计及信号与电源完整性分析

3.1 系统功能需求

3.2 硬件电路设计

3.2.1 FPGA外部电路设计

3.2.2 FPGA选型及配置电路设计

3.2.3 FPGA IO口分配

3.2.4 系统电源管理

3.3 传输线模型分析

3.3.1 微带线与带状线

3.3.2 传输线信号传输速度

3.3.3 传输线特性参数计算

3.4 PCB叠层设计

3.5 反射及串扰的研究

3.5.1 反射的研究

3.5.2 串扰的研究

3.6 信号完整性优化设计

3.6.1 IBIS模型

3.6.2 LVDS时钟线优化设计

3.6.3 LVDS数据线优化设计

3.7 电源完整性分析及优化设计

3.7.1 电源完整性问题分析

3.7.2 电源完整性优化设计

3.8 本章小结

第四章数字控制模块FPGA设计

4.1 FPGA功能模块划分

4.2 异步信号及数据同步

4.3 发射波束形成设计与实现

4.3.1 MAX14808发射控制

4.3.2 1.25ns高精度发射延时算法实现

4.4 AFE5832 模块控制

4.4.1 SPI配置接口

4.4.2 LVDS数据传输

4.4.3 LVDS时钟校准

4.4.4 LVDS数据接收控制设计

4.5 声束合成算法设计

4.6 高速数据传输及缓存

4.6.1 USB2.0 数字控制模块

4.6.2 数据缓存及传输路径控制

4.7 本章小结

第五章数字控制模块的仿真与测试

5.1 发射波束形成模块仿真

5.2 AFE5832 数字控制模块仿真

5.2.1 SPI接口仿真

5.2.2 AFE5832 接收模块仿真

5.3 声束合成模块仿真

5.4 高速数据传输及缓存模块测试

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方龙宇

导师: 朱为

关键词: 超声相控阵,数字控制

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,工业通用技术及设备,无线电电子学

单位: 东南大学

分类号: TN791;TB559

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002366

总页数: 80

文件大小: 8439K

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