基于AD9273的超聲相控陣檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 建，徐大專

（南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京 210016）

現(xiàn)代無損檢測技術(shù)發(fā)展的大趨勢是從對材料的定性檢測到高精度、高分辨率的定量檢測，從而實(shí)現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備更加準(zhǔn)確的無損評價(jià)。近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)就是相控陣超聲檢測技術(shù)。超聲相控陣技術(shù)的基本思路來源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，最早應(yīng)用于醫(yī)用B超成像系統(tǒng)中。但在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，由于檢測儀器復(fù)雜度高，制作成本高昂，其應(yīng)用受到很大的限制。然而近年來多種相關(guān)高技術(shù)，如壓電復(fù)合材料、納秒級別脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析、軟件技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得超聲相控陣技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域得到快速發(fā)展［1－2］。與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)在聲束可達(dá)性、檢測精確性、重現(xiàn)性及檢測結(jié)果的可靠性、實(shí)時(shí)性和直觀性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)超聲相控陣系統(tǒng)一般體積較大，不便于攜帶。筆者結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和微電子技術(shù)，提出了一種高集成度相控陣超聲檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案包含32個(gè)獨(dú)立收發(fā)通道，采用多種新型高集成度芯片完成其超聲發(fā)射和接收模塊的設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的集成度，為系統(tǒng)設(shè)備的小型化提供可能。利用可靈活配置的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)高精度發(fā)射波形產(chǎn)生和數(shù)字接收動態(tài)聚焦，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的數(shù)字化水平。

1 超聲相控陣檢測原理

相控陣超聲檢測系統(tǒng)由超聲陣列換能器和相應(yīng)的電子控制系統(tǒng)組成。超聲陣列換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片按照一定的排列方式組成陣列。每個(gè)陣元都有自己獨(dú)立的發(fā)射和接收電路。利用電子技術(shù)控制超聲陣列換能器不同陣元之間的觸發(fā)延時(shí)時(shí)序，產(chǎn)生具有不同相位的超聲相干子波束在空間疊加干涉，達(dá)到聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)的效果（圖1）。

在相控陣超聲發(fā)射狀態(tài)下，陣列換能器中各個(gè)陣元按照一定延時(shí)規(guī)律順序激發(fā)，產(chǎn)生的超聲發(fā)射波束在檢測空間合成，形成聚焦點(diǎn)和指向性。改變各陣元激發(fā)的延時(shí)規(guī)律可以改變焦點(diǎn)位置和波束指向，實(shí)現(xiàn)在一定空間范圍內(nèi)的聚焦掃描。

在相控陣超聲接收狀態(tài)下，陣列換能器的各陣元接收聲場的反射信號，根據(jù)聚焦點(diǎn)的幾何位置按不同延時(shí)值進(jìn)行延時(shí)，然后加權(quán)求和獲得接收合成聲束。在一次接收過程中實(shí)時(shí)改變聚焦延時(shí)值，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)跟蹤聚焦［3］。

2 系統(tǒng)硬件組成與功能實(shí)現(xiàn)

超聲相控陣檢測系統(tǒng)的主要功能是利用電子技術(shù)控制超聲聲束的聚焦與偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對被測工件的掃查，并對接收回波進(jìn)一步分析成像。系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包含超聲波發(fā)射接收電路、FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊和ARM后處理模塊。

超聲波發(fā)射接收電路的主要功能是生成用于激發(fā)探頭陣元產(chǎn)生超聲波的高壓脈沖，以及實(shí)現(xiàn)對微弱的回波信號進(jìn)行數(shù)控增益放大／衰減、帶通濾波和高速采樣。FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊主要實(shí)現(xiàn)32通道脈沖激勵序列延時(shí)，超聲回波波束成形、壓縮、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的雙向傳輸、儲存以及其他一些時(shí)序邏輯控制。ARM后處理模塊主要實(shí)現(xiàn)對合成后的波束進(jìn)行相應(yīng)的成像算法處理，并轉(zhuǎn)化為二維圖形直觀顯示以及探傷標(biāo)準(zhǔn)的軟件實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互接口和一些相關(guān)外設(shè)的驅(qū)動。

2.1 超聲相控發(fā)射電路結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，超聲相控發(fā)射電路一般由發(fā)射波形生成模塊、高壓放大電路、開關(guān)復(fù)用電路組成。其工作過程如下：首先由ARM處理器根據(jù)設(shè)定的聚焦點(diǎn)計(jì)算出延時(shí)序列，儲存在FPGA內(nèi)部的RAM中。FPGA內(nèi)部延時(shí)計(jì)數(shù)器在發(fā)射同步信號的觸發(fā)下開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值等于某個(gè)通道的延時(shí)值時(shí)，該通道產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字脈沖信號。將該信號送至脈沖產(chǎn)生模塊進(jìn)行高壓放大，并通過開關(guān)復(fù)用到探頭某個(gè)指定的陣元上激勵產(chǎn)生超聲波。

圖2 超聲相控陣檢測系統(tǒng)硬件總體框圖

電路的脈沖放大模塊采用SUPERTEX公司的HV748。該芯片內(nèi)部集成了4個(gè)并行通道，單片封裝為7mm×7mm的QFN封裝，那么8個(gè)芯片就能實(shí)現(xiàn)32通道的發(fā)射功能，大大提高了系統(tǒng)的集成度。開關(guān)復(fù)用模塊選用的是HV2301，該芯片集成了8個(gè)獨(dú)立控制的高壓模擬開關(guān)?？梢酝ㄟ^SPI編程控制各開關(guān)的關(guān)斷。用16個(gè)芯片級聯(lián)與一個(gè)128陣元的探頭相連，通過FPGA編程實(shí)現(xiàn)128陣元與32個(gè)發(fā)射接收通道間的復(fù)用。

2.2 超聲相控接收電路結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

超聲波接收電路是實(shí)現(xiàn)相控陣超聲成像系統(tǒng)硬件主要性能指標(biāo)的關(guān)鍵之一。如圖2所示，一般由收發(fā)隔離電路、超聲接收模擬前端和接收波束成形模塊組成［4］。

超聲回波信號一般都很微弱，最小的只有幾毫伏，而發(fā)射端用于激勵探頭的脈沖信號則高達(dá)上百伏。這么高的電壓勢必會影響微弱回波信號的穩(wěn)定性，同時(shí)也會損壞后端元器件。為此設(shè)計(jì)采用Supertex公司的MD0100進(jìn)行隔離，該芯片能有效阻止峰－峰值＞2V的信號通過，保證峰－峰值＜2V的小信號無失真地通過，起到了很好的隔離效果。

超聲波在媒介中傳播是有衰減的，傳播距離越大，衰減越大。因此不同深度的回波信號的幅值也不同。在信號進(jìn)入ADC采樣之前需要對回波信號作適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，將信號電平調(diào)整到ADC的有效輸入范圍之內(nèi)。系統(tǒng)采用Analog Devices公司的AD9273來實(shí)現(xiàn)對模擬回波信號的調(diào)理和采樣。該芯片內(nèi)部含有八個(gè)獨(dú)立并行通道，各通道均由一個(gè)SPI可編程低噪聲放大器（LNA），一個(gè)可變增益放大器（VGA），一個(gè)抗混疊濾波器和一個(gè)采樣速率為10～50MSPS，12bit采樣精度的ADC級聯(lián)組成。各通道增益動態(tài)范圍為－42～0dB，最高增益可達(dá)52dB，可以動態(tài)改變其增益值以完成不同深度回波信號的調(diào)理?？膳渲每够殳B濾波器帶寬濾除有效帶寬外的噪聲，提高信噪比。采用LVDS輸出，不僅滿足ADC的高波特率輸出要求，而且極大地降低了對FPGA引腳資源的需求。

2.3 FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊

系統(tǒng)完全采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，因此涉及到許多控制信號的時(shí)序配合和大量高速數(shù)據(jù)的處理與存儲。FPGA具有豐富的可編程資源，集成度高，實(shí)現(xiàn)靈活，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

如圖3所示，給出了FPGA數(shù)據(jù)處理與控制模塊的功能結(jié)構(gòu)框圖。該模塊是實(shí)現(xiàn)超聲相控陣系統(tǒng)主要功能指標(biāo)的核心所在。一般主要由發(fā)射波形產(chǎn)生模塊、接收波束成形模塊、延時(shí)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、時(shí)序控制模塊等組成。

發(fā)射波形產(chǎn)生模塊根據(jù)探測要求產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖激勵序列，使合成超聲波束在空間產(chǎn)生預(yù)定的聚焦與偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)各種掃查方式。接收波束成形模塊采用正交包絡(luò)檢波的方法［5］提取各通道回波信號的包絡(luò)，然后疊加求和得到一條某一個(gè)特定方向上的掃描線。因?yàn)榘j(luò)是慢變信號，對延時(shí)精度要求不高，從而大大降低了由于高精度帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度。延時(shí)控制模塊一方面精確控制超聲波發(fā)射端各通道的延時(shí)量以達(dá)到較好的聚焦偏轉(zhuǎn)效果，另一方面在接收過程中，實(shí)時(shí)計(jì)算各動態(tài)聚焦點(diǎn)到相應(yīng)接收陣元的延時(shí)量，動態(tài)跟蹤接收波形的相位以實(shí)現(xiàn)動態(tài)跟蹤聚焦，提高系統(tǒng)成像的清晰度。

系統(tǒng)選用Xilinx公司的Spartan 6芯片。該系列芯片內(nèi)部含有豐富的存儲器資源，有效解決大量延時(shí)數(shù)據(jù)的存儲；豐富的乘法器資源極大地提高了信號處理能力；性能優(yōu)秀的數(shù)字時(shí)鐘管理模塊易于實(shí)現(xiàn)較高的延時(shí)精度。

2.4 ARM后處理模塊

如圖4所示，給出了ARM后處理模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖。該模塊是實(shí)現(xiàn)超聲相控陣系統(tǒng)軟件功能和人機(jī)交互接口的關(guān)鍵所在。ARM的高性能的處理能力和較強(qiáng)的內(nèi)存管理技術(shù)能有效完成數(shù)據(jù)的后處理［6］，將探測結(jié)果以B，C，D，S等多種顯示模式直觀地呈現(xiàn)出來。同時(shí)它還有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備接口，如網(wǎng)口、串口、USB接口、非常適合便攜式嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，大大簡化了硬件的設(shè)計(jì)難度。

3 若干關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于FPGA的發(fā)射波束形成器

基于FPGA的發(fā)射波束形成器如圖5所示。FPGA外部時(shí)鐘輸入為50MHz，內(nèi)部倍頻至250MHz，利用其先進(jìn)的數(shù)字時(shí)鐘管理模塊產(chǎn)生不同相位的四個(gè)時(shí)鐘信號：clk＿250M，clk＿250M＿90，clk＿250M＿180，clk＿250M＿270。相鄰兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間相差1ns，因此可使系統(tǒng)發(fā)射延時(shí)精度達(dá)到1ns。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：首先由ARM計(jì)算出各通道的延時(shí)值并寫入FPGA的RAM中，位寬為16bit。將低兩位作為選擇器的選通控制信號，選擇相應(yīng)的時(shí)鐘信號作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。計(jì)數(shù)器檢測到同步信號后開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值等于延時(shí)值的高14位時(shí)產(chǎn)生使能信號，使能脈沖成形器產(chǎn)生激勵脈沖波形。

3.2 基于正交包絡(luò)檢波的接收波束形成技術(shù)

超聲回波信號是高頻脈沖信號，若直接采樣需要很高的采樣率才能得到比較精細(xì)的相位信息，對ADC的要求較高。而實(shí)際上只有在接收信號包絡(luò)中含有所需要的目標(biāo)信息。如圖6所示，提出了一種非相干數(shù)字包絡(luò)檢波算法。該算法首先對回波信號采樣值進(jìn)行數(shù)字包絡(luò)檢波，將回波信號從高頻變換到基帶，但仍保留原信號的包絡(luò)和時(shí)延引起的相位信息，然后再進(jìn)行相位抵消的相關(guān)處理。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要很高的延時(shí)分辨率。

圖6 正交包絡(luò)檢波算法框圖

在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，由NCO產(chǎn)生與探頭中心頻率相同的參考信號，經(jīng)過混頻將接收回波信號搬移到基帶。但由于同一點(diǎn)的回波信號到達(dá)各陣元的距離不同，導(dǎo)致接收回波信號的包絡(luò)時(shí)延和由時(shí)延引起的相位也不同。因此需要對得到的基帶信號進(jìn)行延時(shí)和相位的抵消處理。對于包絡(luò)時(shí)延，由于包絡(luò)是慢變信號，對時(shí)延精度要求并不高，可通過寄存器時(shí)延來實(shí)現(xiàn)；對于相位差，由于不同位置反射回波的相位差也不同，因此在接收過程中可動態(tài)跟蹤相位的變化并將其抵消，實(shí)現(xiàn)接收動態(tài)聚焦。然后，將32路回波信號加權(quán)求和、濾波形成一條特定方向的掃描線。

4 結(jié)語

提出了一種基于FPGA的高集成度超聲相控陣檢測系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)完全采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，利用FPGA豐富的資源和高速的處理能力，完成了系統(tǒng)核心功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，F(xiàn)PGA的可重配置特性十分方便以后硬件設(shè)計(jì)的升級換代。另外該方案擁有32個(gè)獨(dú)立的接收／發(fā)射通道，利用當(dāng)前新型的高集成度芯片，大大降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，為便攜式超聲相控陣探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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