基于FPGA和以太网的超声相控阵发射系统研究

於炜力，曹永刚，王月兵

(中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018)

0 引言

相控阵超声成像技术作为一种新型水声成像技术，通过控制阵列换能器中各阵元发射和接收信号的相位延时，实现波束聚焦和偏转等效果，再利用波束合成，获得清晰的图像[1]。

以往的水下超声探测多采用单通道控制单个换能器发射声波，因此实现多通道多阵列超声相控阵高压精确延时发射以及高速实时的传输数据成为了近年来国内外学者的研究热点[2-3]。骆英等设计了基于单片FPGA实现相控延时算法以及相控延时控制的系统，在250 kHz发射信号下实现了3.75 ns的延时精度[4]。崔娟等设计了8通道的超声相控阵发射，利用RS232串口通信进行延时数据的发送，相控延时精度达到了2.5 ns[5]。邓鹰飞等利用二极管加电阻构成钳位电路对超声相控阵信号进行钳位，通过改变信号的相位、脉宽、幅值、脉冲重复频率达到高压发射聚焦的目的，延时精度能够达到2.5 ns[6]。

上述研究中，延时精度还不够高，采用的高压发射电路较复杂，很难能实现高速实时的数据传输。因此，本文设计了一种新型超声相控阵发射系统，以驱动32阵元的超声换能器，实现了水下超声发射波束的聚焦和偏转；采用千兆以太网传输技术，实现了高速实时的数据传输；并且利用四通道高压脉冲发射器MAX4940设计了高压脉冲发射电路，为后续的水下物体探测实验提供了技术支持。

1 超声相控聚焦原理

相控阵探头的阵元是按一定的形状、尺寸排列而构成的。通过软件电子技术可以控制阵元阵列按照设定好的延时时间进行激励，使得不同的阵元在不同的时刻激励，所产生的不同相位的超声相干子波束在空间中叠加干涉，合成具有偏转或者聚焦效果的声束[7]。相控聚焦发射时，换能器阵列各阵元的激励信号延时从两端到中间逐渐扩大，各个独立波阵面产生干涉并指向一个曲率中心，形成聚焦波束[8]，其原理如图1所示。

图1 相控声束聚焦原理图

根据图1计算出换能器各阵元激励信号的延迟时间为

(1)

式中：n=0，±1，±2，…，±(N-1)/2；F为焦距；d为相邻阵元中心间距。

2 UDP通信协议

UDP(user datagram protocol)是一种简单的传输协议，其主要面向数据报的传输层。数据在传输过程中，每个要传输发送的UDP数据，都会有一个对应的UDP首部，然后再加上对应的IP的首部，这样就会组成一个完整的待传输发送的IP数据报[9]。UDP没有建立连接、撤销连接、确认报文等开销，因而相对于TCP协议，它的执行速度更快，实时性更强，具有很高的数据传输效率而且它对系统造成的负载较低[10]。UDP数据报格式如图2所示。

图2 UDP数据报格式

3 超声相控阵发射系统设计

本文研制的超声相控阵发射系统包括PC机、电源模块、千兆以太网模块、FPGA主控单元、高压脉冲信号发射电路和相控聚焦超声换能器等。其中FPGA作为系统的主控单元和信号发生模块，用于32路不同延时波形信号的产生，波形信号经过功率放大后激励相控聚焦超声换能器。系统的整体结构框图如图3所示。

图3 超声相控阵发射系统框图

3.1 千兆以太网通信设计

本文选用Cyclone IV系列EP4CE30F23C7芯片作为硬件电路FPGA控制器，选用RTL8211EG 以太网GPHY芯片来实现千兆以太网数据通信，通信协议采用Ethernet UDP 通信协议。FPGA 控制器通过 GMII 总线和电路板上的 Gigabit Ethernet PHY 芯片进行通信，Gigabit Ethernet PHY 芯片把数据通过网线发给PC机[11]。整个系统的硬件连接关系如图4所示。

图4 MAC控制器与PHY芯片接口图

根据UDP通信协议，经过上位机系统发送3个包给FPGA，第一个包为4字节的命令控制字，后两包为待配置的阵元延时参数发送的指令，每个延时参数Pxy占2个字节，则配置参数矩阵共占40×32×2=2 560字节；将2 560字节的延时数据分2个包发送，每个包数据长度为1 280字节，每个包加入4字节数据头和4字节数据尾，共占1 288字节发送给FPGA。

3.2 FPGA主控模块设计

本文的FPGA主控制器EP4CE30F23C7芯片，一共具有484个引脚，此型号为 FBGA 封装。该芯片集成度较高，具有28 848个逻辑单元，343个独立I/O，4个独立锁相环(PLL)和高达594 Kbits分布式RAM[12]。

根据聚焦算法，计算出换能器各个阵元的延时时间，然后将延时参数和命令控制字以包文的格式通过千兆以太网传输给FPGA,利用FPGA丰富的I/O引脚资源和高速计数功能，实现了换能器阵列发射波束的聚焦和偏转控制。

相控阵时间延迟的精度是相控阵技术最重要的参数，它决定了系统的成像分辨率。相控延时均方根(RMS)量化误差与声束主瓣幅度之比为[13]

(2)

由式(2)可知，在换能器阵元数目不变的条件下，提高相控阵时间延迟的精度，可以增大主瓣抑制旁瓣，有效提高成像分辨率。

本文使用数字式发射延时的方法来实现相控阵发射延时，与传统的模拟延迟线相比，数字式发射延时的实现具有精度高、可调性好，稳定性高等优点。数字式延时的实现分为粗延时和细延时。粗延时一般由硬件系统的采样时钟控制，延时值为采样周期的整数倍。本文选用50 MHz晶振作为系统的采样时钟，延时精度为1.25 ns。

为了降低系统复杂性和元件数量，提高系统集成度，本文采用FPGA的基本模块锁相环(PLL)的倍频、移相等技术，对系统时钟50 MHz进行4倍频，产生4路频率均为200 MHz的时钟信号，4个输出时钟依次相移90°，也即实现了1.25 ns的延时精度，达到了电路最小延时的目标。利用Verilog HDL语言编写了锁相环输出时钟信号的仿真程序，并利用Modelsim仿真软件进行了仿真如图5所示。

图5 锁相环输出时钟信号Modelsim仿真图

3.3 高压脉冲发射电路设计

传统的水声发射电路体积大、工作效率低、限制了水下超声相控阵成像系统性能的进一步提高。本文针对水声成像系统低供电电压、小体积、高频高压的性能指标，基于系统32路超声相控发射的要求，提出了一种采用专用集成芯片来实现较强的超声信号发射的高集成度发射电路。

由于采用数字脉冲相位差法使FPGA产生延时精度1.25 ns的数字脉冲信号，其输出电压幅值只有3.3 V，即LVTTL，这对于激励压电换能器来说是远远不够的，因此必须对信号进行幅值和功率的放大。本文运放芯片采用专用集成电路芯片Max4940四通道高压脉冲信号发射器，其高压输出端具有8.5 Ω输出阻抗，有源钳位阻抗为21 Ω。高压输出可确保提供2.0 A (典型值)输出电流。所有器件的每个通道都通过2个逻辑输入控制正、负脉冲。这样激励信号通过此功率放大模块后幅值达到±110 V。功放电路核心部分设计如图6所示。

由于功放电路电压较高，本文在电路输出端加上2个正反向肖特基二极管IN4148来保护芯片，防止烧坏，并在信号的输出端加上了RC滤波网络，来确保脉冲信号的稳定输出，从而有效驱动相控聚焦超声换能器。功放电路输出部分如图7所示。

图7 功放电路输出部分

4 系统实验测试

为了验证以上系统是否满足相控阵发射的要求，搭建了实验平台对相控阵系统的千兆以太网通信和超声发射信号的相控延时、相控偏转聚焦效果进行了测试与分析。设计了32通道FPGA超声相控阵发射板，FPGA作为系统的控制中心，主要是产生延时精度为1.25 ns的数字脉冲波形信号，外接8块高压脉冲发射板，每块为4通道，一共输出32通道具有一定幅值和驱动能力的激励信号。

4.1 千兆以太网通信测试

通过六类网线将FPGA实验板上的千兆网口HR911130C和实验PC机的网口连接起来。修改UDP发送模块中的目标MAC地址为PC的网卡MAC地址，确保两者一致，同时修改PC的IP地址为192.168.0.3，PC 的 IP Address 需要和发送模块中设置一致，不然网络调试助手会接收不到开发板发送的UDP数据包。

将以太网工程文件下载到FPGA外部的配置芯片EPCS16中。本文通过Wireshark，可以观察到PC发送的网络数据包，由于以太网通讯传输实验中，数据帧的包长一般要求在46～1 500字节，所以本文将32通道的延时参数分2个数据包发送，每个数据包共1 288个字节。Wireshark发送数据抓包结果如图8所示。

图8 Wireshark发送数据抓包结果

4.2 相控偏转聚焦效果测试

为了测试超声波的相控偏转聚焦效果，将聚焦点设为超声阵列换能器前方70 cm，且偏离超声相控换能器阵列中心-2.5～2.5 cm处，每隔5 mm设置一个偏转点。系统控制超声阵列换能器发射相控超声声束，用水听器分别在超声阵列换能器中心点前方70 cm处接收超声信号，所接收到的数据用MATLAB处理后如图9所示。图中每条曲线代表偏转聚焦时各聚焦点垂直于声轴线上的声压分布，从图中可以看出，相邻两条线的波峰之间距离约为5 mm，与设置相同，说明偏转聚焦的功能能够很好实现。

图9 相控偏转加聚焦测试结果

4.3 相控聚焦延时数据测试

设定相控聚焦换能器的焦距为70 cm，根据相控聚焦算法算出32通道之间的脉冲时间延时。通过上位机系统将计算得到的延时值发送给FPGA并进行相应的配置，使32通道发射具有不同相位差的激励脉冲信号。用示波器测量这32个通道间的延时值，与理论计算得出的延时值对比，可以得出，实际延时值和理论延时值相对误差较小。各通道设置的延时参数和实验测试的聚焦延时数据对比如表1所示。

表1 相控聚焦延时数据

5 结束语

本文提出了一种多通道超声相控阵发射系统，通过FPGA主控模块、千兆以太网通信模块和高压脉冲发射电路的设计，实现了高速实时的数据传输和超声波信号的高频高压的相控阵聚焦发射。实验结果表明，该系统能够实现32通道的相控阵发射，相控延时精度达到1.25 ns,发射信号稳定，为水下超声成像实验提供了硬件基础。本文采用了模块化设计，方便大规模的多通道扩展。