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原文传递一种超声波相控阵悬浮装置及其工作方法

专利名称：	一种超声波相控阵悬浮装置及其工作方法
摘要：	本发明公开了一种超声波相控阵悬浮装置及其工作方法，PC上位机采取单向通信方式，依次经USB串口通信模块和FPGA延迟算法计算模块后分别连接四个脉冲发射模块，四个脉冲发射模块分别经对应的信号增益正弦输出模块与超声相控阵探头连接；PC上位机用于发送焦点坐标，USB串口通信模块用于将PC上位机与FPGA延迟算法计算模块进行数据传输，FPGA延迟算法计算模块用于实现延迟数据的计算与发送，脉冲发射模块用于发送延迟后的脉冲信号，信号增益正弦输出模块用于将超声波探头谐振输出正弦信号，超声相控阵探头用于发出超声波。本发明电路设计简单，难度小，价格低廉，聚焦及延迟精度高，可实现延迟控制精度达到1ns，输出正弦波信号通道多。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	卢秉恒;朱景军
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201811573404.4
公开号：	CN109765147A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	高博
分类号：	G01N15/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	710049 陕西省西安市咸宁西路28号
主权项：	1.一种超声波相控阵悬浮装置，其特征在于，包括PC上位机、USB串口通信模块、FPGA延迟算法计算模块，脉冲发射模块、信号增益正弦输出模块和超声相控阵探头；PC上位机采取单向通信方式，依次经USB串口通信模块和FPGA延迟算法计算模块后分别连接四个脉冲发射模块，四个脉冲发射模块分别经对应的信号增益正弦输出模块与超声相控阵探头连接；PC上位机用于发送焦点坐标，USB串口通信模块用于将PC上位机与FPGA延迟算法计算模块进行数据传输，FPGA延迟算法计算模块用于实现延迟数据的计算与发送，脉冲发射模块用于发送延迟后的脉冲信号，信号增益正弦输出模块用于将超声波探头谐振输出正弦信号，超声相控阵探头用于发出超声波。 2.根据权利要求1所述的超声波相控阵悬浮装置，其特征在于，FPGA延迟算法计算模块包括FPGA芯片、SDRAM芯片、Flash芯片、JTAG接口电路、电源接口及电压转换模块、USB通信芯片、晶振电路和复位电路；SDRAM芯片与Flash芯片分别连接到FPGA芯片的引脚上；JTAG接口电路连接FPGA芯片的专用下载调试引脚上，用于程序的下载及板级调试；电源接口及电压转换模块分别输出3.3、2.5、1.2V的精准电压供FPGA及其他电路使用；USB通信芯片采用串行输入输出方式，与FPGA芯片的通用引脚相连；晶振电路采用50M的频率，为FPGA芯片提供精确的时钟源信号；复位电路与FPGA芯片的通用引脚连接，用于程序的复位。 3.根据权利要求2所述的超声波相控阵悬浮装置，其特征在于，FPGA延迟算法计算模块采用134+1根双绞线与4个脉冲发射模块相连。 4.根据权利要求1所述的超声波相控阵悬浮装置，其特征在于，超声相控阵探头包括超声相控阵板和超声探头，每个超声相控阵板上独立设置100个超声探头，每个超声探头单独与一个信号增益正弦输出模块连接，使用正弦波独立控制每个超声探头，超声探头可选直径为10～16mm。 5.一种根据权利要求1所述超声波相控阵悬浮装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤： S1、PC上位机通过USB串口通信模块与FPGA延迟算法计算模块通信，将需要聚焦的坐标点数据XYZ经USB串口通信模块转换后发送至FPGA延迟算法计算模块用于实现下一级延迟算法； S2、FPGA延迟算法计算模块分别与4个脉冲发射模块进行数据通信； S3、FPGA延迟算法计算模块延迟算法的实现； S4、每个脉冲发射模块实现100路独立的延迟脉冲信号； S5、信号增益正弦输出模块将上一级脉冲发射模块输出的40KHZ方波脉冲进行增益放大； S6、利用PLL IP核程序将时钟通过相移的方法变为4路相位相差1ns的时钟信号，实现超声相控阵探头聚焦延迟时的高精度延迟脉冲发射控制。 6.根据权利要求5所述超声波相控阵悬浮装置的工作方法，其特征在于，步骤S2中，FPGA延迟算法计算模块采用134+1根双绞线与4个脉冲发射模块相连，13根双绞线中的12根作为数据传输，同时传输一个12位的数据，最大为十进制4096，剩余1根作为脉冲发射模块读取FPGA延迟算法计算模块中的FIFO数据的使能信号r_en，告知FPGA延迟算法计算模块该FIFO数据已被下一级脉冲发射模块读取，通知FPGA延迟算法计算模块将延迟数据发送到对应的脉冲发射模块中的FIFO中；最后1根双绞线作为数据传输的总时钟线，分别与4个脉冲发射模块相连。 7.根据权利要求5所述超声波相控阵悬浮装置的工作方法，其特征在于，步骤S3中，利用加减乘除四种乘法器，生成1004路延迟数据分别对应4个脉冲发射模块，并将该1004个数据分别存在4个FIFO中，供对应的脉冲发射模块调用，所有的FPGA程序使用Quartus II编写。 8.根据权利要求7所述超声波相控阵悬浮装置的工作方法，其特征在于，利用延迟补偿算法将FIFO串行读取的方式转换成并行读取的方式，超声探头固定振动频率位为40KHZ，时钟信号位CLK_1，CLK_1/40KHZ即为LPM_COUNTER IP核计数器所要计数的最大数值MAX，延迟数据若小于MAX则保持原值，若大于MAX，则减去MAX的整倍数，直至小于MAX且为正数，则将该值作为该通道的延迟数据量；从上位机发送坐标点至FPGA延迟算法计算模块，进行延迟数据计算，存入该级FIFO中，脉冲发射模块从上一级FPGA延迟算法计算模块获取延迟数据，存入该级FIFO进行数据缓存中，FIFO数据写入读出为串行方式，当需要调用数据时，从该级FIFO中串行读出，一个时钟周期读取一个数据，将每个数据减去该数据的读取带来的延迟量，实现串行转并行的读取数据。 9.根据权利要求5所述超声波相控阵悬浮装置的工作方法，其特征在于，步骤S4中，每个脉冲发射模块中利用LPM_COUNTER IP核计数器程序与方波脉冲发送程序，并将两部分程序整合到顶层模块，顶层模块通过接收上一级FPGA延迟算法计算模块中计算的延迟数据，补偿到该顶层模块中，补偿到LPM_COUNTER IP核计数器程序中，根据延时数据，LPM_COUNTER IP核计数器将延时数据置位到计数器中，并开始计数，当计数满后给出一个计数满使能信号，以此通知方波脉冲发送程序开始发送一组方波脉冲；方波脉冲发送程序利用时钟信号和计数器实现电平的定时反转来实现。 10.根据权利要求5所述超声波相控阵悬浮装置的工作方法，其特征在于，步骤S5中，方波脉冲信号经功放芯片增益输送到脉冲变压器，再经过一级谐振LC电路，使脉冲变压器、LC电路，与超声波探头共同在40KHZ达到谐振状态，配置电路参数使40KHZ方波脉冲谐振输出40KHZ正负交替的正弦波激励信号给超声探头。
所属类别：	发明专利