基于FPGA的16通道超声相控阵控制系统的研究

摘要

超声相控阵检测技术是被广泛应用到海洋、铁路、医疗、工业等无损检测领域中的技术。超声相控阵系统具有检测对象范围广、灵敏度高、缺陷定位精确等特点。同时他与普通相控阵相比，还具有快速灵活、良好的声束可达性、动态聚焦、动态变迹等优势。因此，超声相控阵系统的研究也成为近些年国内外研究和开发的热点课题。
　　本论文主要对超声相控阵系统中的数字控制系统进行了研究。论文首先介绍了超声相控阵的组成、基本检测原理、控制系统的设计方案。然后介绍了控制系统中的算法和主要功能模块的设计。
　　论文详细介绍了超声相控阵控制系统的设计方案，以FPGA为主控制芯片，重点对超声相控阵中的发射波束控制、聚焦控制、数据接收、数据存储、数据传输等进行了基于FPGA的开发，完成了FPGA中SDRAM，异步FIFO等关键模块的开发。对相控阵中的稀疏矩阵设计的关键技术进行了matlab仿真、M2M实验验证、FPGA开发。同时，为了便于对系统的控制，开发了基于MFC的上位机控制平台，实现收发控制、数据传输和图像显示。使用USB2.0进行PC机和FPGA数字硬件控制端的连接，实现了数据和命令的高速传输。同时整个控制系统为其他的开发者预留了发射参数接口，也为需要做后期DSP处理的开发者提供了数据和接口。
　　整个系统的开发完成了建模、仿真和测试。最后，将控制系统进行M2M实验验证，并将其与超声相控阵前端系统连接进行了试验测试，利用上位机程序实现了16通道相控阵的收发控制、A扫显示和数据存储，达到了预期要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 超声相控阵控制系统的发展与研究现状

1．3 论文的研究内容与研究意义

第2章 超声相控阵控制系统总体方案设计

2．1 超声相控阵系统总体设计方案

2．1．1 超声相控阵系统检测基本原理

2．1．2 超声相控阵系统总体设计方案

2．2 超声相控阵控制系统设计方案

2．2．1 超声相控阵控制系统方案

2．2．2 超声相控阵控制系统核心架构

2．3 超声相控阵系统数据流与控制指令流

2．3．1 超声相控阵发射控制流

2．3．2 超声相控阵接收控制与数据流

2．4 本章小结

第3章 超声相控阵控制系统的FPGA设计

3．1 FPGA控制系统设计总述

3．1．1 FPGA编程控制综述

3．1．2 FPGA系统硬件结构

3．1．3 FPGA控制系统的组成

3．2 发射控制的FPGA编程设计

3．2．1 命令解码模块的FPGA设计

3．2．2 超声相控阵聚焦参数控制的FPGA设计

3．2．3 波束成型器LM96570的FPGA控制设计

3．3 稀疏矩阵算法模块的FPGA设计

3．3．1 稀磙矩阵算法的理论与Matlab仿真建模

3．3．3 稀疏矩阵算法的FPGA设计

3．4 相控阵数据接收的FPGA设计

3．4．1 AD转换器的数据缓存设计

3．4．2 数据的SDRAM缓存设计

3．4．3 数据的EMIF接口设计

3．5 FPGA主控制模块设计

3．6 本章小结

第4章 超声相控阵控制系统的USB传输控制设计

4．1 USB传输设计方案

4．1．1 USB传输芯片介绍

4．1．2 USB传输的FPGA控制方案

4．1．3 USB连接的FPGA设计

4．2 USB传输控制的固件设计

4．2．1 USB固件程序的控制流程

4．2．3 USB的端点以及寄存器配置

4．3 USB驱动程序选择

4．4 本章小结

第5章 超声相控阵控制系统的上位机控制设计

5．1 超声相控阵上位机控制平台方案

5．2 上位机与USB连接的编程设计

5．3 上位机收发控制的编程实现

5．3．1 上位机收发控制的编程

5．3．2 上位机数据保存与图形显示

5．4 本章小结

第6章 实验与结果分析

6．1 稀疏矩阵算法的M2M验证

6．2 超声相控阵系统功能验证

6．2．1 发射控制功能的验证

6．2．2 数据接收功能的验证

6．2．3 超声相控阵控制系统功能测试

6．3 系统性能分析

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文