基于CPLD的相控聲發射系統設計與實現*

何斌，許學忠，張芳，張寶國，董明榮

（西北核技術研究所，陜西西安710024）

聲源的指向性反映了聲源在不同方向上的聲輻射特性[1]。強指向性聲源具有指向性好、聲束可控、傳播距離遠等特點，在軍事、商業、教育等領域具有廣闊的應用前景[2]。本文提出了一種基于硬件電路進一步增強聲源指向性的方法。利用復雜可編程邏輯器件（CPLD），將相控技術引入到聲發射陣列，通過揚聲器陣列前方的波陣面耦合，進一步增強聲波在空氣中的相互疊加，用以提高聲源的指向性。

1 系統原理

本系統以CPLD為控制核心，通過控制輸入揚聲器陣列的信號相位（延時），實現揚聲器各陣元發射的聲波束在空間疊加合成，從而形成聲束聚焦的效果[3]。如圖1所示，如果各陣元的激勵時序是兩端陣元先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲，使得合成的波陣面指向一個曲率中心，形成波束能夠在空間聚焦，以達到增強聲源指向性的目的。

圖1 相控聚焦

系統總體框圖如圖2所示。聲發射陣列輸入語音信號，通過濾波和A/D采樣單元將該信號進行模數轉換，同時按鍵顯示單元設定各陣元的延時參數，CPLD根據外部設定的延時值進行數據處理，經由D/A轉換后的模擬信號通過功率放大器驅動揚聲器陣列向空氣中發射聲波。

圖2 系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 CPLD及存儲器接口設計

（1）CPLD EPM570簡介

系統采用Altera公司生產的CPLD中的EPM570作為核心控制芯片。它屬于MAX II器件系列中的一員，采用基于成本優化的六層金屬0.18 μm、嵌入Flash工藝，其功率只有以往MAX器件的1/10，而且成本降低一半。MAX II器件在所有的CPLD系列中具有較低的單位I/O成本和較低的功耗，能夠代替成本更高或功率更高的FPGA、ASSP和標準邏輯器件?？商峁?40～2 210個邏輯單元（LE）、多達272個I/O管腳。

EPM570實現的功能是：實時時鐘產生100 kHz的信號作為MAX120的采樣時鐘。每采樣一次，EPM570就把數據存儲在存儲器中，并根據單片機送來的延時值找到相應的數據用于DA轉換。其功能將依靠Verilog HDL語言編程下載到芯片中來實現。

（2）存儲器接口設計

存儲器選用靜態存儲器HM62256，它具有32 kB空間，采用0.8 μm的CMOS工藝，轉換速度為85 ns。HM-62256管腳與CPLD直接連接，完成數據的存儲與讀取。

2.2 放大濾波電路

聲發射陣列的輸入信號為模擬語音信號，信號幅度較小且容易夾雜干擾信號，所以需要對該信號進行處理。系統采用INA118對信號初步放大，利用OPA606構建二階有源低通濾波器[4]。

2.3 A/D采樣電路

圖3 放大濾波與A/D采樣電路原理

A/D采樣電路是將輸入的模擬信號轉變為數字量，以便后續模塊進行數字化處理。系統采用MAXIM公司的MAX120作為A/D采樣器件，其轉換時間是1.6 μs，采樣率是500 kS/s。采樣的數據依次循環存儲在存儲器中，由CPLD根據設定的延時時間從相應的存儲單元調用數據交給DA轉換。圖3為放大濾波與A/D采樣電路原理圖。

2.4 按鍵顯示電路

系統利用鍵盤按鍵實現現場調試和數據參數調整。本系統設計4個按鈕來控制光標的左右移動和信號延時值的增減。LCD默認顯示第一路信號設定的初始值，單片機通過控制LCD的讀/寫選擇端和數據/命令選擇端來顯示信號延時值。

2.5 D/A轉換電路

系統采用National公司DAC0800實現數模轉換，將經過延時處理的數字信號轉變成模擬信號，并通過功率放大器驅動揚聲器陣列發聲。

3 系統軟件設計

3.1 相控延時設計

對于聲發射陣列，相鄰兩列聲波的延時計算公式為t=d sinθ/c，（d為揚聲器兩陣元間距、θ為偏轉角度、c為聲速），根據公式計算，其延遲分辨率為10 μs即可。系統延時基于晶振時鐘計數，延時值為時鐘周期的整數倍。以圖4為例可以說明相控發射延時（一個通道）的實現原理。

圖4 數控延時原理框圖

相控發射時CPLD的內部為每個超聲通道提供了一個14 bit的延時計數器、一個14 bit比較器、一個14 bit的參數寄存器，用于暫存外部對CPLD寫入的參數。一次相控發射開始之前，外部單片機控制端先后給CPLD內的參數輸入寄存器設置各通道發射延時值。然后CPLD發出一個同步信號，啟動CPLD內各通道延時計數器開始計數。當各通道預定延時值計滿后,分別從參數輸入寄存器調出數據送給DA轉換，完成整個相控發射延時過程。相控發射延時的仿真波形如圖5所示。其部分代碼如下：

通過按鍵對各通道預設不同的值，就能分別控制各通道的起始時刻之間的延時值，從而達到相控延時的目的。

3.2 按鍵顯示設計

（1）LCD顯示設計

系統一上電即初始化，LCD默認顯示第一路信號設定的初始值。當有按鍵輸入改變各路信號的延時值，顯示程序通過控制LCD的讀/寫選擇端和數據/命令選擇端來顯示當前設定值。圖6為顯示程序流程圖。

圖5 延時仿真波形

圖6 顯示程序流程圖

（2）鍵盤輸入設計

采用獨立式按鍵的鍵盤結構。設計了7位顯示字符，不同的位置表示不同的含義：第零位表示信號通道數；第1位為空格位，目的是將通道數和后面的延時值分開；第2～6位是顯示延時值，最大顯示值為10000。

4 測試及結果分析

將相控聲發射系統用于聲發射陣列，以8陣元線性陣列為例，圖7為現場實驗圖，揚聲器間距為13.6 cm，輸入信號為600 Hz、1 000 Hz、1 400 Hz。為實現在距離陣列中心1.5 m處聚焦，陣列兩端的信號先發出，陣列中心的信號后發出。以聲陣列中心為圓心、1.5 m為半徑布置一個1/4圓弧，在圓弧上0°、2°、5°、10°、15°、20°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、85°（與陣列中心垂直的點標記為0°，記錄數據為CH0，依次順延）放置傳感器并與揚聲器陣列等高。表1為600 Hz測得的聲壓值。

圖7 現場實驗圖

聲發射陣列輻射聲波在空氣傳播中會產生一定的指向性。添加相控系統后（如圖8所示），在同等條件下陣列主波束中心聲波強度提高了1 dB，旁瓣的聲波強度降低，波束角（-3 dB）由原來的8.1°減小為6.7°，表明聲波能量更為集中，主波束變得更加尖銳，旁瓣變小，陣列指向性得到加強。如圖9所示，將實驗結果測得各點的聲壓值進行歸一化處理，更直觀地反映出相控后聲場指向性增強的變化。

表1600 Hz測試結果

圖8 實現數據對比圖

本文設計的基于復雜可編程邏輯器件（CPLD）的相控聲發射系統，實現了對發聲陣列各陣元輸入信號的精確延時控制。實驗結果表明將相控技術用于聲發射陣列，能夠增強聲發射陣列的指向性。該系統對強指向性聲源的進一步研究具有一定的參考價值和應用前景。

圖9 聲場指向性圖

[1]RABIEI A E，M k.Study on fracture behavior of partied reinforced metal matrix composites by using acoustic emission source characterization[J].Materials science and Engineering，2000，293(1)：81-87.

[2]OLSON H F.Acoustical engineering[M].Van Noslerm Company Princlon，1957.

[3]PAUL A M，ANDERSON J W.Ultrasonic testing using phased arrays proceedings of 15th world conference on NDT[C].Rome Italy：2000.

[4]王成華，王友仁，胡志忠.現代電子技術基礎（模擬部分）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005：154-158.