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的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现改基于FPGA的相控阵延迟聚焦算法的实现
基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现
2013年6月
毕业设计（论文）任务书
题目基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现
1、本论文的目的、意义：
随着电于技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，近几年，相声相控阵技术发展尤为迅速，在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等方面取得一系列进展。
其中，自适应聚焦相控阵技术尤为突出，它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则，实现了声束的优化控制，提高缺陷的检出率。
“基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现”涉及到多种关键技术，如FPGA的开发、电子设计、硬件编程语言等。
“基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现”是超声相控阵技术中的一项关键技术，通过VerilogHDL硬件语言描述算法，进而在FPGA芯片上实现功能。
2、学生应完成的任务：
首先查阅相关的资料，了解“基于EP3SL150的FPGA系统设计”的原理、结构、组成，进而学习相关知识，了解电路原理，并了解设计思想和仿真原理和过程。
在完成以上工作的基础之上，再学习FPGA的相关知识，了解FPGA的原理、工作过程、特色优点和实现方法。
接着需要学习VerilogHDL语言的开发技术的相关知识，了解其配合过程，语言特定、模块组成部分的作用以及相关参数的调节方法，重点是模块理论分析和编程思路。
在完成以上理论学习的基础上，还要开始着手EDA工具的学习，通过学习了解电子设计自动化的理念及其优势，主要是理解电路设计的思路和方法。
在设计完电路之后还要完成相关PCB电路板的制作，并要手工焊接所有的元器件和完成相关的测试、软件和硬件调试任务，以达到较好的控制效果。
3、论文各部分内容及时间分配：
（共15周）
第一部分调研课题的目的、意义和背景，学习相关基础知识。
（2周）
第二部分参阅相关资料，翻译外文资料，方案初步设计，时间规划、过程规划（2周）
第三部分设计方案模块化、分解设计、系统设计、理论分析、系统仿真、模块仿真、软件编程工程定义，电路方案的工程定义、设计、模块电路图、仿真报告。
（3周）
第四部分软件编程、调试，电路设计、仿真，硬件电路的调试、验收，测量方案制定，软件联调，硬件联调、软件和硬件配合调试、联调，软件验收、硬件验收，系统测量验收，验收。
（3周）
第五部分撰写软件设计操作文档，硬件文档，软件规范化、硬件规范化；设计归档，撰写论文初稿，导师审查，知识产权审查，修稿，导师审查，（3周）
评阅及答辩：
提交学院审查、评阅，撰写PPT报告，答辩，提交论文，归档毕业设计文档。
（2周）
备注
指导教师：
年月日
审批人：
年月日
摘要
随着科学技术的不断发展，我们对材料质量的检测要求也变得越来越高。
现代无损检测技术的发展趋势就是对材料实现高精度、高分辨率的检测。
从而为当代复杂的工业设备提供更好的无损评估。
在整个超声相控阵系统中，延迟聚焦算法是关键，提高延迟量的精度可以提高整个系统精度。
本课题通过对超声相控阵技术中的延迟细分法则的研究，最终实现两种延迟模式，粗延迟和细延迟。
粗延迟是指发射脉冲高电平的持续时间只能是延迟模块的控制时钟周期的整数倍；在细延迟中我们可以对延迟模块的控制时钟进行多相位的分频，最终可以提高延迟模块可以达到的精度。
FPGA内部集成的增强型锁相环可以实现多相位时钟信号，利用这些多相位的时钟信号，我们可以将延迟量的精度提高。
本设计是基于FPGA平台，巧妙地借助FPGA内部集成的增强型锁相环，实现延迟细分算法的硬件电路。
并且在modelsim上对设计结果进行验证。
主控平台可以完成的扫描模式是扇形扫描，完成相控阵的聚焦法则，最终输出十六个通道的触发脉冲延迟数据。
用户可以根据自己的实际要求，手动的选择粗延迟或细延迟。
本论文主要对一下几个模块进行论述：
算法的实现模块、扫描模块、延迟模块、波束合成模块。
在算法实现模块，我们借助FPGA运行速度的优势，实现二进制的开方运算，传统的二进制开方运算采用的是迭代的算法，使得整个算法的实现过程变得比较长。
本课题模拟二进制开方手算的过程，利用FPGA内部的乘法器硬核实现二进制开方运算。
在整个课题的设计过程中，我们利用FPGA内部集成的硬件乘法器，利用内部集成的增强型的锁相环和快速锁相环对系统时钟进行倍频和分频，产生我们设计所需要的相关时钟信号。
这样可以大大简化设计的开发周期，并且可以提高设计的准确性。
关键字：
FPGA；超声相控阵；细延迟；聚焦法则
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,thequalityofourmaterialstestingrequirementsarebecomingincreasinglyhigh.Modernnon-destructivetestingtechnologytrendsisrightmaterialstoachievehigh-precision,high-resolutiondetector.ThusitprovidebetterNondestructiveEvaluationforcontemporarycomplexindustrialequipments.
Throughouttheultrasonicphasedarraysystem,thedelayfocusingalgorithmisthekeytoimprovetheaccuracyoftheamountofdelaycanimproveoverallsystemaccuracy.Thisissuethroughultrasonicphasedarraytechnologyforthedelaysubdivisionlawstudies,andultimatelyimplementtwodelaymode,thecoarsedelayandfinedelay.Coarsedelayisthetransmittedpulsedurationofthehighlevelthecontrolmodulecanonlybedelayedbyanintegermultipleoftheclockcycle;thefinedelayofthedelaymodule,wecancontrolthemulti-phaseclockfrequency,canultimatelyincreasethedelaymoduleachievableaccuracy.EnhancedFPGAintegratedPLLcanachievemulti-phaseclocksignals,usingthemulti-phaseclocksignals,wecanimprovetheaccuracyofthedelayamount.ThisdesignisbasedontheFPGAplatform,cleverlyintegratedwithenhancedFPGAinternalPLLtoachievedelaysubdivisionalgorithmhardwarecircuit.Inmodelsimtoverifytheresultsonthedesign.Masterplatformiscompletedscanmodesectorscan,completephasedarrayfocallaw,thefinaloutputsixteenchanneltriggerpulsedelaydata.Accordingtotheiractualrequirements,userscanmanuallyselectthecoarseorfinedelaytime.
Thispapermainlydiscussesaboutseveralmodules:
algorithmmodule,scanningmodule,thedelaymodule,thebeamformingmodule.Inthealgorithmmodule,weusetheadvantageofrunningspeedFPGAtoachievebinaryrootoperation,thetraditionalbinaryrootoperationusingtheiterativealgorithm,makingthewholealgorithmimplementationprocessbecomesrelativelylong.Thistopicsimulatetheprocessofbinaryprescribinghandcount,usingFPGAinternalmultiplierhardcoreachievebinaryrootoperation.
Throughouttheprojectdesignprocess,weuseinternalFPGAintegratedhardwaremultiplier,useenhancedintegratedPLLandfastPLLsystemclockmultiplicationanddivision,givingustheneedsofdesign-relatedclocksignal.Thiscangreatlysimplifythedesignofthedevelopmentcycle,andcanimprovethedesignaccuracy.
Keywords:
FPGA;ultrasonicphasedarray;smalldelay;focallaw
摘要是否需要显示
第1章绪论
注意论文标题中1.1点号是英文格式
1.1引言
无损检测技术是利用物质的声、光、电特性，在不损害物质的前提下，检测物质中是否存在缺陷，并且可以准确的给出缺陷的大小，位置。
与传统的有损检测相比，有以下几个明显的优势：
第一，在整个检测的过程中，其不会破坏被检测物体；第二，在必要的时候可以对被检测物进行全方位的检测，这个是有损检测无法达到的；第三，有损检测针对的对象基本都是原材料，而无损检测的对象可以是生产工艺中任何一个生产环节。
无损检测是现代科技发展的一个重要分支，在现代工业生产中得到了十分广泛的应用，而超声检测更是无损检测技术中应用最为广泛的。
自十九世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应和反压电效应之后[1]，人们开始利用电子学技术产生控制超声波，从而迅速推广了超声波的发展史。
在第一次世界大战期间，人们就已经开始利用超声波技术对水下物体进行检测。
经过这么多年的发展，超声波检测技术已经得到了十分广泛的应用，尤其是在工业、医学、和石油开采等方面。
对着超声波技术和现代科学技术的不断结合，从而已经开始产生了很多不同的领域。
在工业上，近几年发展起来的超声相控阵技术已经发展成为无损检测技术中的研究热点。
超声相控阵技术来自于雷达相控阵技术，相控阵雷达技术是由许多辐射单元组成的，通过控制各辐射单元辐射电磁波的相位和幅度，可以灵活调整合成电磁波的辐射方向，从而完成在一定区域的扫描。
在超声相控阵，其由很多的压电晶片组成，这些压电晶片在脉冲的控制作用下可以连续不断的发出超声波，所以可以通过控制各个压电晶片发出超声波的时间，实现超声波的聚焦、偏移等特性，完成整个扫描过程，从而检测物体中是否存在缺陷。
超声相控阵技术已经有了20多年的发展历史[2]。
初期主要是应用在医学领域，在医学超声成像技术中，用相控阵换能器的快速移动声束，实现对被检测物体的成像功能。
最初由于超声相控阵技术的复杂性，超声波在固体中传播的复杂性，以及生产成本高等缺陷，使得超声相控阵技术难以得到广泛的应用。
然而随着计算机技术的发展，超声相控阵技术得到的很快的发展，尤其在工业发展特别迅速，数字电路的发展促进了整个超声相控阵技术的准确性。
与传统的超声波检测技术相比，超声相控阵有很多优势：
在超声相控阵技术中，完成对波束的聚焦是通过控制各个压电晶片发出超声波的时间来实现的，从而避免了对声学透镜的使用。
所以检测的范围十分广，可以实现对十分复杂的物体进行检测，避免传统检测中存在的扫描盲区，提高了检测的范围，同时也确保了检测结果的准确性和检测的速率。
利用超声相控阵完成物体检测的整个过程我们并不需要移动被检测物体，直接通过改变聚焦偏转角度改变就可以实现对物体进行多个角度的检测，在对大型复杂工业的检测中，可以大大提高检测的效率。
超声相控阵技术拥有聚焦特性，通过对各个换能器进行一定的时序控制，使得每一个换能器发出的超声波都作用在被聚焦点，这样就可以在很大程度上提高该点的声场强度，大大提高了检测灵敏度。
在超声相控阵技术中，聚焦的偏转角度、聚焦半径的增量等这些重要的参数都是可以自定义的，所以可以通过对这些参数的不断优化，提高整套检测系统的可靠性以及检测精度，同时还可以减少检测的盲区。
近几年来，超声相控阵技术得到了很快地发展，在世界无损检测的会议当中，关于超声相控阵技术的文章也变得越来越多[3]。
由于其可以自动的实现聚焦特性，已经在业界得到了广泛的关注。
随着压电复合材料、计算机技术、数字电路的不断发展，为超声相控阵技术提供了很好的发展平台。
随着技术的不断发展，超声相控阵技术已在多个工业的无损检测领域得到了应用。
比如：
对石油传输管道的检测、火车车轴的检测、核电站的检测以及航空材料的检测[4]。
由此我们可以看出超声相控阵技术的应用前景是十分好的。
1．2超声相控阵无损检测技术的发展现状
1．2．1国内超声相控阵无损检测技术的发展现状
目前国内的超声相控阵技术主要应用在医学监测中。
国内已经出现了很多的研究超声相控阵的机构，其中就包含许多高校，比如：
清华大学，上海交通大学，等一些知名高校和研究所对相控阵系统中的自适应聚焦和相控阵的延迟技术方面都做了大量的实验和研究。
1.2.2国外超声相控阵无损检测技术的发展现状
超声相控阵技术的发展初期是为了应用于医学领域上，最早是为了实现诊断和治疗，主要是向人体发射超声波，并接收超声波，来获得人体组织的一些信息，从而对患者进行诊断，此方法实施起来比较简单，并且得到的图像也比较清楚，所以得到了很快的发展。
目前，国外研究的应用于管道检测中的全自动超声相控阵技术已经得到的很广泛的应用，并且对于焊缝检测的技术已经发展的十分成熟。
他们在航空航天和核工业方面，对超声相控阵技术提出了更高质量的要求。
超声相控阵技术已经成为国外无损检测的研究热点。
近几年来，在国外超声相控阵技术的发展中，超声相控阵系统中的压电还能晶片的质量已经得到了很大的提高，由于数字电路的快速发展，对超声波的延迟时间的控制已经可以达到纳秒级别的精确控制。
90年代末，国外对合成孔径聚焦技术的研究对超声相控阵的发展产生了很大的影响。
目前已经有公司推出了全新的超声相控阵的检测技术，可以实现扇形扫面，动态聚焦等功能，使得相控阵技术的应用又得到了很大程度的发展。
麻省理工学院研究出来的超声相控阵检测技术可以对混凝土进行检测，并且可以判断混凝土中钢筋的具体位置以及走向。
英国推出了一款超声相控阵检测设备，可以实现用电池供电，这种设备可以实现对32路压电晶片同时激发，并且能够很好的接受到回波信号，针对回波信号进行分析，最终产生完整的检测分析报告。
日本生产的超声相控阵技术主要是应用于检测焊缝连接，该种技术在整个超声相控阵技术中占有很重要的地位[5]。
在国外超声相控阵技术研究的重点已经逐步向相控阵的动态聚焦、自适应聚焦、高分辨率的数字成像等方面进行发展。
1．3本课题研究的内容
在整个超声相控阵技术中，如何控制各个晶片发射超声波的时间是这项技术的关键，合理的控制超声相控阵技术中的延迟技术使得合成的超声波可以发生聚焦偏转等特性是整个技术的核心内容。
由此可以相控阵的延迟技术是设计超声相控阵技术的核心，合理的设定延迟量，控制各个晶片发射超声波的时序，使得整个设计达到要求。
在传统的超声相控系统中，整个系统的控制核心是计算机。
计算机通过一系列的计算，得到每个通道确定的延迟信息，之后经过总线技术，传输给下位机。
下位机在控制信号的作用下，接收由计算机传来的数据，根据具体的数据，控制模拟多路开关，实现各个通道的延迟。
在这个系统中延迟量是通过模拟开关产生的，所以整个系统的硬件实现电路比较复杂，从而使得系统的集成度降低。
随着数字电路的不断发展，尤其是现场可编程门阵列的发展，基于FPGA的数字电路的设计已经展现出来了十分强大的优势，而且人们对FPGA的认识也越来越成熟了，已经可以开始利用FPGA设计很多十分复杂的逻辑电路，并且整个系统的集成度也十分高。
Altera公司也根据电子技术发展的要求，推出了一代又一代FPGA，使得利用FPGA设计的成本不断的减少，技术越来越成熟。
所以本次课题通过多次调研，了解FPGA的特性，结合超声相控阵技术的特点，利用FPGA平台，来实现整个延迟细分算法，利用逻辑门阵列，代替传统的模拟开关，从而实现16通道的超声相控阵的延迟电路，大大增加了整个系统的集成度。
本论文研究的主要内容如下：
.研究超声相控阵技术，了解其基本原理以及实现该设计的基本方法，尤其是对延迟细分算法实现部分的研究
2.了解EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计，主要包括设计中用到的一些特殊模块的学习快速锁相环FPLL和增强型锁相环的学习EPLL。
3.基于FPGA主控平台实现一些模块的具体功能，主要包括，发射模块，扫描模块，算法的实现模块，延迟模块以及利用FPGA内部增强型锁相环实现8相位的时钟信号的输出，最终实习细延迟功能。
4.利用Modelsim软件对整个系统的设计进行仿真，确保整个系统设计的理论可实现性。
5.将程序下载到FPGA里面，利用软件集成的逻辑分析仪，对硬件电路的测试结果进行验证，确保程序的实际可操作性。
其中论文中对利用FPGA实现模块的部分作为本次论文说明的中心。
1．4本章小结
本章主要介绍了超声相控阵的发展历史以及超声相控阵的主要应用。
描述国内外的超声相控阵的发展状况，最后介绍了课题中研究的主要内容。
第2章超声相控阵聚焦原理的概述
人类能够听到的声音的频率小于20KHZ，当声音的频率不在这个范围的时候，人类的听觉就失去了作用。
通常我们将频率大于20KHZ的声音成为超声波[7]。
超声波的波长一般都比较短，不容易在空间形成绕射效应，基本可以认为是按照直线传播的，具有很好的方向性，并且其具有很强的穿透性，所以在很多方面超声波都得到了广泛的应用。
超声相控阵技术的理论基础就是超声波的传播特性，主要利用到了超声波声场的一些特性，以及关于空间中合成波的一些基本特性。
超声相控阵技术中，主要利用的是超声波在空间传播中会发生发射，折射，在空间超声波会相互之间干扰形成叠加效应等特性。
利用超声波在不同介质中会形成不同的传播特性是利用超声相控阵技术进行无损检测最主要的理论依据。
2．1超声波声场基本概念
超声波的声场指的是充满超声波的空间，以及包括由于超声波的波动而带动空间介质震动的部分介质。
在空间中，稳定的超声波声场具有一定的特性，但是在两种介质间，超声波可能会存在一些不同的特性，所以可以通过检测这些超声波参量的变化，来确定被检测物体中是否存在缺陷。
超声波的参量主要包括以下几个部分“声压、声强以及特征阻抗[1]。
在超声波传播的整个过程中，声阻抗表明了介质对超声波的阻碍情况，对于不同的介质其对超声波产生的阻碍作用是不一样的，所以我们可以以该理论作为基础，判断陪检测物体中是否存在缺陷。
反而言之，如果介质和缺陷间的声阻抗一样，则我们同样无法检测到被检测物体中是否存在缺陷。
2．2超声相控阵的检测原理
2．2．1超声相控阵的组成
超声相控阵中重要组成部分是相控阵中的多个探头，每个探头都是由压电转换器构成的，可以实现将电压信号转换为声能信号。
它是超声相控阵检测系统中的最主要的部分，晶片的灵敏度的提高可以提高整个相控阵检测的精度和检测的准确性。
在相控阵系统中，各个晶片按照一定的规律分散而成[8]，本课题研究的主要是线性分布的相控阵。
各个晶片之间是相互独立的，均可以在脉冲作用下发射只和该通道相关的超声波。
并且所有通道发出的超声波是想干波，这些相干波在空间会进行叠加，最终实现稳定的声场。
在超声波的参数中，声阻抗是最重要的，他是实现利用超声波进行无损检测的基础。
声阻抗值指的是在超声波传播的过程中，介质内任意一点的声压与超声波传播速度的比值。
声阻抗表示了介质对超声波的阻碍作用，所以对于不同的介质来讲由于声阻抗特性是不一样的，从而导致超声波在不同介质中传播的过程中会表现出不同的传输特性。
前面已经提到了，超声波在不同的介质中传播时，介质呈现出来的阻抗特性是不一样的，当相控阵的各个通道发出超声波之后，当超声波遇到被检测物体时，由于反射现象的存在，会有一部分的超声波反射回来。
所以我们就可以通过接受相控阵发射出来的超声波的回波来判断被检测物体中是否存在缺陷。
2．2．2超声相控阵的聚焦法则
相控阵的聚焦法则，是整个超声相控阵系统的主要组成部分，当相控阵中的各个晶片接收到具有不同延迟量的脉冲信号之后，就会形成不同的特性，我们将各个晶片要遵守的时序法则称为相控阵的聚焦法则[9]。
波束的偏转：
当相控阵系统中的各个晶片发射脉冲的延迟量满足等差数列的时候，超声波的波阵面将表现出来偏转的特性[10]。
波束的聚焦：
当超声相控阵系统中，各个晶片发射的延迟时间呈抛物线关系的时候，发射的超声波的波阵面会在中心轴上的某一点出现聚焦特性[11]。
图2-1为波束偏转聚焦的示意图。
图2-1波束偏转和聚焦的示意图
在整个超声相控阵的控制系统中，我们不是要单单实现波束的聚焦或波束的偏转，而是要在系统中同时实现波束的偏转和聚焦特性，所以我们必须要认真的讨论如何控制延迟聚焦的时间，运用合理的算法实现最终的聚焦过程。
并且要在设计的基础上尽可能的提高设计的精确度和使用的范围。
综上所述，在整个相控阵技术中，延迟聚焦算法是整个相控阵系统设计的核心，延迟量可以达到的精度影响整个相控阵的精度。
只有确保超声相控阵系统可以发射出稳定的超声波，最终的相控阵系统才可以达到设计要求。
在以往的很多设计中，延迟信息的实现是通过模拟开关进行控阵的，并且由于系统比较庞大，数据传输的聚焦长，所以在数据的传输过程中，可能会造成一定程度上的误差。
FPGA是专门为处理数字电路，可以实现很强大的逻辑功能，并且芯片的集成度很高，本课题通过在FPGA实现相控阵系
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