陸銘慧，胡俊濤，紀(jì)煒辭，石文澤

(南昌航空大學(xué)，無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330063)

0 引言

在超聲檢測(cè)中，探頭具有電能與聲能轉(zhuǎn)換功能，其聲場(chǎng)輻射特性對(duì)檢測(cè)方案的選擇、工藝參數(shù)的確定具有指導(dǎo)意義，尤其對(duì)相控聚焦探頭，更為重要。由于超聲波肉眼不可見(jiàn)，一般采用光學(xué)方法進(jìn)行觀察，利用動(dòng)態(tài)光彈法可直觀顯示超聲的傳播散射過(guò)程[1]，也可觀察探頭的輻射、聚焦過(guò)程，對(duì)研究聲波傳播規(guī)律，探頭輻射特性具有重要意義。

中科院聲學(xué)所在20世紀(jì)80年代在國(guó)內(nèi)率先搭建了一套動(dòng)態(tài)激光光彈成像設(shè)備[2]，清華大學(xué)物理系在國(guó)內(nèi)首先研制了LED光源的動(dòng)態(tài)光源設(shè)備[3]，南昌航空大學(xué)、中北大學(xué)也有開(kāi)發(fā)類似設(shè)備的報(bào)道[4-5]。近年來(lái)，隨著聲學(xué)研究的不斷深入以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，在實(shí)際使用中對(duì)聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)光彈儀的觀測(cè)精度提出了更高的要求[6-7]。

為使動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)實(shí)用性提高，便于推廣，本文提出一種通過(guò)LED光源與FPGA配合的方案，成功研制出了一套控制精度達(dá)2.5 ns的聲光同步延時(shí)控制系統(tǒng)，此套方案成本低廉，理論上可在精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)不同程度的細(xì)節(jié)捕捉。

1 光彈法顯示聲波的原理

光彈法通常是用來(lái)觀察透明靜力模型中的應(yīng)力分布，因超聲波作為一種應(yīng)力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的觀測(cè)目前有2種有效的方案：一種是高速連續(xù)拍照法；另一種是凍結(jié)時(shí)刻頻閃光源法。

高速連續(xù)攝像法通過(guò)高速照相機(jī)對(duì)受力模型中應(yīng)力場(chǎng)的變化進(jìn)行連續(xù)圖像采集，然后通過(guò)專用軟件播放圖片來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲場(chǎng)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，此方法對(duì)硬件設(shè)備的要求非常高。凍結(jié)時(shí)刻頻閃光源法是通過(guò)多次激勵(lì)超聲換能器，并配合調(diào)整每次聲激勵(lì)信號(hào)和光源點(diǎn)亮信號(hào)的延時(shí)間隔，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻聲場(chǎng)圖像的采集。此方法對(duì)攝像機(jī)要求不高，僅滿足超聲換能器激勵(lì)的重復(fù)頻率即可，超聲激勵(lì)信號(hào)工作一次，光源閃爍一次；配合專用軟件可實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，成本低廉，效果良好，便于動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)的推廣普及。

本文研制的高精度聲光同步延時(shí)控制系統(tǒng)即為配合凍結(jié)時(shí)刻頻閃光源法實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻聲場(chǎng)的圖像的采集。

2 聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)光彈觀測(cè)儀系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

2.1 聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)光彈觀測(cè)儀系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)主要由以紅色LED為核心的光學(xué)系統(tǒng)、以FPGA為核心的高精度聲光同步延時(shí)控制系統(tǒng)、以具有外觸發(fā)功能的超聲脈沖發(fā)射系統(tǒng)以及使整套系統(tǒng)協(xié)同工作的上位機(jī)軟件構(gòu)成。與其他系統(tǒng)有所不同，本系統(tǒng)的超聲換能器的激勵(lì)功能是通過(guò)觸發(fā)專用超聲發(fā)射系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣不僅可以完成對(duì)專用超聲換能器在不同的激勵(lì)條件下的聲場(chǎng)觀察，還可實(shí)現(xiàn)專用超聲換能器與專用超聲發(fā)射系統(tǒng)之間整體匹配度的測(cè)試。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)光彈觀測(cè)儀工作原理

整套系統(tǒng)的工作原理為：上位機(jī)軟件將每次控制光源閃爍的延時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給FPGA，并啟動(dòng)FPGA內(nèi)部的聲光同步延時(shí)器；在該啟動(dòng)信號(hào)的作用下，聲光同步延時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)延時(shí)，與此同時(shí)啟動(dòng)信號(hào)也將作為同步高壓激勵(lì)系統(tǒng)的外觸發(fā)信號(hào)，使超聲脈沖發(fā)射系統(tǒng)單次動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)探頭單次高壓激勵(lì)；當(dāng)FPGA內(nèi)部聲光同步延時(shí)器延時(shí)完成后，F(xiàn)PGA將輸出一個(gè)延時(shí)完畢信號(hào)，該信號(hào)將用以觸發(fā)LED光源，實(shí)現(xiàn)一次光源閃爍，并配合CCD攝像機(jī)完成一次圖像采集；通過(guò)設(shè)置FPGA內(nèi)部聲光同步延時(shí)器的延時(shí)數(shù)據(jù)值，可實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)不同時(shí)刻的圖像采集，從而實(shí)現(xiàn)探頭聲場(chǎng)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，其中聲光同步延時(shí)器的計(jì)數(shù)精度將決定采集到聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像的完整度。

3 聲光同步延時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聲光延時(shí)系統(tǒng)是整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，是系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，將其做在FPGA內(nèi)部主要出于以下幾點(diǎn)考慮：

(1)FPGA作為一種超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷渚哂邢冗M(jìn)的制作工藝、豐富的邏輯存儲(chǔ)資源、強(qiáng)大的自動(dòng)布線方案，在實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，還保證了系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性[8]；

(2)任何的電路設(shè)計(jì)方案都是要經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)、不斷調(diào)整、不斷完善的過(guò)程，F(xiàn)PGA具有可重復(fù)編程性，且程序燒錄便捷，可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證，既縮短了設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期又節(jié)約了研制成本；

(3)所有電路均實(shí)現(xiàn)在一片F(xiàn)PGA中，可縮小設(shè)備體積，提升設(shè)備的便攜性。

針對(duì)探頭輻射聲場(chǎng)成像高精度控制的需求，再綜合設(shè)備開(kāi)發(fā)成本，在此設(shè)計(jì)中選用CYCLONE V系列的FPGA，該芯片有77 kbit的可編程邏輯資源，4 884 kbit的內(nèi)嵌式存儲(chǔ)單元，6個(gè)小數(shù)級(jí)鎖相環(huán)，內(nèi)核工作頻率最高可達(dá)550 MHz。價(jià)格低，完全可實(shí)現(xiàn)低成本高性能的設(shè)備研制方案。

整套系統(tǒng)主要由以8051軟核為核心的微控制模塊、以高精度差分計(jì)數(shù)器為核心的聲光延時(shí)模塊以及輸出脈寬調(diào)節(jié)模塊協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)。

3.1 FPGA內(nèi)8051軟核的應(yīng)用

FPGA作為一種大型的可編程邏輯器件，其內(nèi)部有大量的可編程邏輯、存儲(chǔ)單元，但其本身并不具備例如通信、運(yùn)算等功能，若要僅用一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的控制，必需在其內(nèi)部引入微控制單元。在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)引入8051軟核，實(shí)現(xiàn)這一功能。該核擁有標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容的指令系統(tǒng)的CPU，外部總線可以連接256字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和最大至64 kbit字節(jié)的程序存儲(chǔ)器ROM，且其成熟可靠，為本設(shè)計(jì)中的最佳選擇[9]。圖2為基于8051軟核的片上最小單片機(jī)系統(tǒng)的原理圖。

由于整套微控制系統(tǒng)均在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，使其性能有了極大的提高，據(jù)相關(guān)資料顯示，其最高工作頻率可達(dá)200 MHz。

圖2 基于8051軟核的片上最小單片機(jī)系統(tǒng)

3.2 高精度延時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制主要有軟件定時(shí)和硬件定時(shí)2種方案，軟件延時(shí)計(jì)算不便、精度低且會(huì)占用CPU資源。硬件延時(shí)則可通過(guò)合理選擇計(jì)數(shù)時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)高精度延時(shí)控制，且其延時(shí)值計(jì)算方便、不占用CPU資源。出于對(duì)本套系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是硬件延時(shí)方案，但使用該方案還需要解決2個(gè)問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)高頻高精度時(shí)鐘源；如何在既定的硬件條件下控制計(jì)數(shù)啟動(dòng)的觸發(fā)誤差。

要實(shí)現(xiàn)2.5 ns的延時(shí)精度，理論上需要400 MHz的時(shí)鐘源信號(hào)，若按慣常利用晶振來(lái)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘源的方法很難取得理想效果。在本設(shè)計(jì)中通過(guò)使用FPGA的內(nèi)置鎖相環(huán)倍頻來(lái)解決這一問(wèn)題，與直接使用外部的時(shí)鐘相比，這種片內(nèi)時(shí)鐘幾乎不受外界干擾，且精度優(yōu)于晶振類時(shí)鐘，適用于實(shí)現(xiàn)高精度延時(shí)。

如圖3所示，計(jì)數(shù)器一般僅對(duì)時(shí)鐘源的上升沿或下降沿敏感，當(dāng)計(jì)數(shù)啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，由于觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)器有一個(gè)計(jì)數(shù)周期左右的延時(shí)誤差[10]，且此誤差難以避免。在本例400 MHz的計(jì)數(shù)時(shí)鐘源下，大概會(huì)有2.5 ns的延時(shí)誤差，而此延時(shí)完畢輸出信號(hào)將用于觸發(fā)LED光源，對(duì)系統(tǒng)而言也僅實(shí)現(xiàn)2.5 ns的控制精度。出于系統(tǒng)精度冗余度的考慮，在本設(shè)計(jì)中采用差分法進(jìn)行計(jì)數(shù)延時(shí)，即用2路計(jì)數(shù)器分別對(duì)2路頻率一致、相位相差180°的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后將2路計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果相與，理論上可將觸發(fā)誤差控制在1/2個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)[11]。其理論示意圖如圖4所示。用這一信號(hào)去觸發(fā)光源便可將誤差控制在1.25 ns以內(nèi)。完全可滿足2.5 ns的精度要求。

圖3 計(jì)數(shù)誤差成因示意圖

圖4 差分計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)示意圖

3.3 FPGA內(nèi)高精度脈寬可調(diào)脈沖電路的實(shí)現(xiàn)

出于對(duì)高控制精度的考慮，在FPGA內(nèi)部所設(shè)計(jì)的器件之間的觸發(fā)均是邊沿敏感的，所以當(dāng)延時(shí)完畢時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的僅僅只是一個(gè)上升沿，然而有些待FPGA觸發(fā)的外圍器件卻是電平敏感型的，且不同器件對(duì)觸發(fā)信號(hào)的脈寬還有不同的要求。為解決這一問(wèn)題，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)由D觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器構(gòu)成的脈沖信號(hào)形成電路，且脈寬可調(diào)，調(diào)節(jié)精度取決于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘源精度[12]。

如圖5所示，CHUFA_IN為脈沖形成電路的觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)延時(shí)完畢后由延時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，CLOCK_W_IN為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘源信號(hào)，由鎖相環(huán)給出，其精度決定了脈寬調(diào)節(jié)精度。PLUSE_WIDE為變換調(diào)節(jié)后的脈沖信號(hào)，其脈寬數(shù)值由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值決定。

電路工作的過(guò)程：當(dāng)沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)，D觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)，其Q端為低電平，計(jì)數(shù)器的清零端aclr為高電平，使能端cnt_en為低電平，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)工作，計(jì)數(shù)器輸出端cout為低電平，D觸發(fā)器的清零端CLRN為高電平；當(dāng)有觸發(fā)信號(hào)來(lái)臨時(shí)，D觸發(fā)器的輸出Q變?yōu)楦唠娖?，?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能端cnt_en變?yōu)楦唠娖?，?jì)數(shù)器的清零端aclr為低電平，計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)完畢時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出端變?yōu)楦唠娖?，D觸發(fā)器清零端變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)Q又重新變?yōu)榈碗娖?，電路返回穩(wěn)態(tài)，并完成一次脈寬展寬工作，具體的展寬數(shù)值由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值確定。

圖5 高精度脈寬可調(diào)脈沖產(chǎn)生電路示意圖

4 系統(tǒng)專用軟件設(shè)計(jì)

基于FPGA的高精度動(dòng)態(tài)光彈聲光同步延時(shí)系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成，其中硬件部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)高精度的延時(shí)控制，軟件部分負(fù)責(zé)計(jì)算每次聲場(chǎng)圖像采集的聲光延時(shí)間隔，軟硬件相互配合才能實(shí)現(xiàn)高精度的聲場(chǎng)圖像采集。在本設(shè)計(jì)中為系統(tǒng)編制了一套專用的上位機(jī)軟件，軟件具體的流程圖如圖6所示，圖7為軟件的主操作界面圖。

圖6 系統(tǒng)專用上位機(jī)軟件流程圖

圖7 上位機(jī)軟件操作主界面

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

整套系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)由示波器、系統(tǒng)專用上位機(jī)軟件和以FPGA為核心的聲光同步延時(shí)模塊搭建而成，測(cè)試平臺(tái)的連接實(shí)物圖如圖8所示，通過(guò)上位機(jī)軟件給聲光同步延時(shí)計(jì)數(shù)器置不同的延時(shí)值，再配合雙蹤示波器觀測(cè)超聲激勵(lì)信號(hào)與光源觸發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間間隔，并通過(guò)比對(duì)看兩者是否相互應(yīng)證。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物連接圖

圖9、圖10、圖11分別為軟件置延時(shí)值為195、197.5、602.5 ns時(shí)示波器的實(shí)測(cè)值。

圖9 理論置數(shù)195 ns時(shí)示波器實(shí)測(cè)值

圖10 理論置數(shù)197.5 ns時(shí)示波器實(shí)測(cè)值

圖11 理論置數(shù)602.5 ns時(shí)示波器實(shí)測(cè)值

圖12 理論值與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值誤差波動(dòng)圖

實(shí)測(cè)值分別為200、202、605 ns。為進(jìn)一步探究軟件所置延時(shí)值與系統(tǒng)實(shí)際延時(shí)值之間的對(duì)比關(guān)系，在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上還進(jìn)行的大量的實(shí)際值與軟件置數(shù)值驗(yàn)證，為便于觀察，在此處將多組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果繪制成誤差比對(duì)圖，如圖12所示。綜上，受器件固有延時(shí)、人手工讀取延時(shí)數(shù)據(jù)以及示波器本身測(cè)試精度等因素影響，本系統(tǒng)實(shí)測(cè)值與理論值有5 ns左右的固定延時(shí)誤差，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，該誤差以5 ns為基準(zhǔn)，上下浮動(dòng)不超過(guò)1 ns，符合系統(tǒng)精度要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)光彈觀測(cè)儀聲光同步延時(shí)系統(tǒng)，并提出了一種高精度、低成本的技術(shù)方案，且取得了良好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、集成度高、便攜性好且成本低廉?？膳c專用光學(xué)系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)圖像高精度采集。其對(duì)高精度聲場(chǎng)動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)的推廣、檢測(cè)聲學(xué)的研究具有積極意義。