1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于 EP3SL150 的 FPGA 硬件电路系统设计和延时细分算法与 FPGA 实现西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 II 页毕业设计（论文）任务书班 级 电讯 2009- 03班 学生姓名 李栋 学 号 20093988 发题日期：2012 年 11 月 20 日 完成日期：2013 年 6 月 20 日题 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、
2、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Verilog HDL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、
3、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 Verilog HDL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
4、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、过程规西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 III 页划 (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
5、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 日西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 IV 页摘 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
6、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
7、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
8、；细延迟；聚焦法则西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 V 页AbstractWith the continuous development of science and technology, the quality of our materials testing requirements are becoming increasingly high. Modern non-destructive testing technology trends is right materials to achieve high-precision, high-resolution detector.
9、 Thus it provide better Nondestructive Evaluation for contemporary complex industrial equipments. Throughout the ultrasonic phased array system, the delay focusing algorithm is the key to improve the accuracy of the amount of delay can improve overall system accuracy. This issue through ultrasonic p
10、hased array technology for the delay subdivision law studies, and ultimately implement two delay mode, the coarse delay and fine delay. Coarse delay is the transmitted pulse duration of the high level the control module can only be delayed by an integer multiple of the clock cycle; the fine delay of
11、 the delay module, we can control the multi-phase clock frequency, can ultimately increase the delay module achievable accuracy. Enhanced FPGA integrated PLL can achieve multi-phase clock signals, using the multi-phase clock signals, we can improve the accuracy of the delay amount. This design is ba
12、sed on the FPGA platform, cleverly integrated with enhanced FPGA internal PLL to achieve delay subdivision algorithm hardware circuit.In modelsim to verify the results on the design. Master platform is completed scan mode sector scan, complete phased array focal law, the final output sixteen channel
13、 trigger pulse delay data. According to their actual requirements, users can manually select the coarse or fine delay time.This paper mainly discusses about several modules: algorithm module, scanning module, the delay module, the beam forming module. In the algorithm module, we use the advantage of
14、 running speed FPGA to achieve binary root operation, the traditional binary root operation using the iterative algorithm, making the whole algorithm implementation process becomes relatively long. This topic simulate the process of binary prescribing hand count, using FPGA internal multiplier hardc
15、ore achieve binary root operation.Throughout the project design process, we use internal FPGA integrated hardware multiplier, use enhanced integrated PLL and fast PLL system clock multiplication and 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 VI 页division, giving us the needs of design-related clock signal. This can greatly
16、 simplify the design of the development cycle, and can improve the design accuracy.Keywords: FPGA; ultrasonic phased array; small delay; focal law西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 VII 页目录摘要是否需要显示摘 要 .IVAbstract.V第 1 章 绪论 .111 引言 .112 超声相控阵无损检测技术的发展现状 .2121 国内超声相控阵无损检测技术的发展现状 .2122 国外超声相控阵无损检测技术的发展现状 .313 本课题研究的内容
17、.314 本章小结 .5第 2 章 超声相控阵聚焦原理的概述 .621 超声波声场基本概念 .622 超声相控阵的检测原理 .6221 超声相控阵的组成 .6222 超声相控阵的聚焦法则 .723 总结 .9第 3 章 FPGA 的实现 .1031 EP3SL150 的 FPGA硬件 .10311 FPGA .10312 FPGA 内部锁相环 .1132 相控阵的发射模块 .1333 扫描模块的设计 .16331 偏转角度的扫描 .18332 PO 值的扫描 .2134 算法的实现模块 .24341 聚焦算法的基本原理 .24342 算法的硬件实现模块 .2635 延迟模块 .30西南交通大学
18、本科毕业设计（论文） 第 VIII 页351 延迟译码模块 .30352 延迟发射模块 .3136 细延迟模块 .32361 锁相环模块 .33362 时钟产生模块 .34363 延迟模块 .35364 计算模块 .3737 超声相控阵发射顶层模块 .383.8硬件仿真结果 .4039 本章小结 .42结 论 .43致 谢 .46参考文献 .47附录：源程序代码 .49西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1 页第 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
19、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
20、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
21、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，以及西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 2 页生产成本高等缺陷，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
22、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
23、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。12 超声相控阵无损检测技术的发展现状121 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
