FPGA超声波换能器测试平台的设计

赵 娜,赵旭超,赵 炎,郑晓平

(1.辽东学院 信息工程学院，辽宁 丹东 118003；2.丹东通博电器(集团)有限公司，辽宁 丹东 118000；3.得实信息科技(深圳)有限公司，广东 深圳 518000)

在开挖矿井前首要任务是要对矿井进行较为精准的地质勘探，其测量工作环境较为恶劣。测井的方法有多种，有电磁流量计测井、脉冲中子测井、同位素示踪注入剖面测井和声波测井，而利用声波测井法是目前较为普遍的方法，即通过测量矿井剖面岩层的声学性质进行测井工作[1]。超声波测井设备中有一对换能器，其主要作用是将声能和机械能进行转换以实现超声波的发射和接收功能，因此超声波换能器是超声测井设备的核心器件，它的性能与超声测井设备息息相关，也全面影响了测井的精度与效率[2]。

目前所采用的超声波换能器多为压电型换能器，压电换能器的一致性问题成为国内外专家对超声波换能器研究的热点之一。在国内关于换能器一致性匹配的问题研究很少，综合来看，对换能器一致性研究分为两大类：一是直接根据压电晶体或换能器的阻抗特性曲线中某些局部特征频率来进行压电陶或换能器的挑选；二是通过人工逐对测试的方法找出顺逆、流两种情况下接收换能器输出信号波形较为一致的换能器并进行配对使用[3]。本研究基于前人研究的基础，对超声波换能器的频率特性、机械品质因数等参数进行研究，构建测试现场可编程逻辑门阵列(FPGA)平台作为主控制芯片；设计多个测试参数的测试电路，将所测的数据发送到labVIEW，经过一定的处理后得到换能器参数的测量结果，并针对参数进行测试以期所测参数的一致性更为精准[4]。目前国内市场上没有类似超声波换能器实验平台，本产品拥有独立的知识产权。

1 超声波换能器原理

超声波换能器的种类有多种，一般分为压电式与电容式[5]。它是一种可以将声能转换为电能进而转换为声能的器件。超声波测井设备中有一对换能器，其作用是将声能和机械能进行转换以实现超声波的发射和接收功能，因此超声波换能器是超声测井装置的核心器件，其性能影响测井的精度与效率。压电式超声波换能器是由一系列的(盒体、喇叭形谐振器、金属片、压电陶瓷、底座、引线端子)物理结构构成，常见的结构如图1所示。

图1中，压电陶瓷4是压电式超声波换能器中的关键部件，为了使电荷均匀产生在陶瓷表面，一般在压电陶瓷表面镀上一层银[6]。压电陶瓷上可发生压电效应与逆压电效应以实现电能与机械能的相互转换，其性能直接决定了超声波换能器的性能[7]。当压电陶瓷处于振动状态时，喇叭形谐振器2产生谐振频率。引线端子6用于连接换能器与其他外部器件，压电陶瓷产生的电信号通过引线端子引出。盒体1保护换能器的各个部件。

当外力施加在压电晶体上时，压电晶体表面会产生电荷并一正一负附于晶体的两个表面。超声波作用于接收式换能器时，压电晶体产生振动从而产生了一定的电能[8]。同样，在压电晶体的某个方向上施加一定强度的电场时，压电晶体表面将发生形变引起振动而产生超声波，当换能器的固有频率与所加的激励频率相同时换能器将发出强度最大的超声波[9]。

2 FPGA测试平台构建

2.1 测试平台方案设计

超声波传输过程中需要使用一对换能器，分别为发射换能器与接收换能器，两个换能器须具有较高的一致性否则将对测量产生很大的误差。换能器的工作频率与机械品质因数将直接影响测量的准确度[10]。

通过分析FPGA测试平台的测试需求，选择合理的测试参数，针对各测试参数分别设计不同的测试电路，并对各测试电路产生的输出信号进行分析及处理后得到所需数值。各测试项所需的激励信号由主控芯片产生，激励信号输入到换能器后，测试电路将产生不同的响应信号，响应信号进行一定的调理，FPGA进行A/D转换及相关运算后得到正确的参数值，FPGA测试平台方案如图2所示。

由图2可知，驱动模块产生测试电路需要激励信号，以驱动测试电路工作；测试电路中包含换能器，测试电路输入信号时将输出响应信号从而产生被测参数的原始输出信号；信号调理模块对测试电路的原始输出信号进行放大等调理，以得到适于A/D转换的信号；A/D模块将信号调理模块的输出量转换为数字量以便FPGA进行分析处理；通信模块使用串口进行上下位机通信；上位机使用LabVIEW接收下位机数据并进行数据处理与显示；时钟电路、复位电路为FPGA测试平台运行提供基础功能。

2.2 电路设计

根据图2的FPGA测试平台方案设计，由时钟电路与复位电路为FPGA提供时钟与复位功能，驱动模块驱动测试电路工作。信号调理模块对测试电路的输出信号进行调理如整流、滤波、放大等处理，以得到适于A/D转换输入的信号。采用RS232串口通信协议，上位机使用LabVIEW接收、处理与显示数据，所构建的驱动模块电路如图3所示。

利用图3的驱动模块电路，驱动两个换能器同时工作，当FPGA产生的电平信号输入该电路时，可产生0 V或+15 V输出信号，其信号放大电路如图4所示。

图4所示的信号放大电路的作用是将测试电路产生的输出信号进行放大，以得到适合于A/D转换输入的信号。利用AD603芯片作为可变增益放大器，通过调节增益倍数以获取合适的输出。所需要的A/D电路如图5所示。

如图5所示：A/D转换电路使用了高速12位的AD9226芯片。A/D转换的输入模式采用差分输入以获得更好的抗干扰能力。但是信号调理模块产生的信号是一个单端信号，因此在进行A/D转换前还需要进行单端信号转差分信号的处理，如图6所示。

图6为单端信号转差分信号电路，该电路中所使用的AD8132芯片，可以实现高速差分放大器，并作为单端输入至差分输出的驱动器。

2.3 程序设计

下位机通过Verilog HDL语言进行程序设计，包含扫频信号发生、A/D转换及串口通信等子程序的设计，其程序流程如图7所示。

由图7可知，FPGA启动后将等待上位机发来的扫频指令，当接收到扫频指令后，开始发送扫频信号。并约定：扫频信号从2.5 MHz开始至500 kHz结束。扫频信号通过驱动模块输入至测试电路中，测试电路产生的响应信号通过调理后，通过FPGA对信号进行A/D转换生成的数字量再通过串口发送至上位机进行后续处理。上位机使用LabVIEW进行程序设计，包含串口通信、数据处理、绘制及处理波形等子程序的设计，其程序流程如图8所示。

由图8可知，上位机启动后立即发送扫频指令以接收下位机的数据，该数据为测试电路的输出，通过对原始输出波形进行平滑、能量相加等处理，最终得到测试电路的输出波形。分析该波形可得出换能器的工作频率等参数。部分FPGA程序如下：

module RxTx_control_module

( input CLK,

input RSTn,

input Empty_Sig,

input [7:0]FIFO_Read_Data,

output Read_Req_Sig,

input TX_Done_Sig,

output TX_En_Sig,

output [7:0]TX_Data,

output [7:0]Number_Data,

input [11:0]AD_Read_Data,

input SSG_OUT,

input SSG_Done_Sig,

output SSG_Start_Sig,

output [9:0]Fre_Add,

output Write_En_Sig,

output [11:0]Write_Addr_Sig,

output [11:0]Write_Data,

output [11:0]Read_Addr_Sig,

input [11:0]Ram_Read_Data

);

/*******************/

parameter tDelay = 26′d4_999_999;

parameter Uart_Send_Num = 16′d4096;

parameter Ini_Ram_Num = 16′d4096;

/*****************/

reg [25:0]Count;

always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )

if( !RSTn )

Count <= 26′d0;

else if( Count == tDelay )

Count <= 26′d0;

else

Count <= Count + 1′b1;

/******************/

reg [7:0]tx_rData;

reg isTxEn;

reg [7:0] i;

reg isFifoRead;

reg isRamWrite;

reg [11:0]isRamWriteAddr;

reg [11:0]isRamWriteData;

reg [11:0]isRamReadAddr;

reg [15:0]CountNum;

reg byteCnt;

reg [11:0]tx_rData_cache;

reg [3:0]waitClk;

reg rSSG_Start_Sig;

reg [9:0]rFre_Add;

/******************/

3 实验分析

上述所构建的电路，对各模连线，FPGA通过串口与PC机相连，得到的相关接线图如图9所示。

运行图9所示的FPGA测试平台上位机得到上位机前面板如图10所示，运行结果如图11所示。

由图11测试平台上位机的运行结果可知：第1个波形为测试电路的原始响应波形，在不同频率的激励信号下该波形的频率也是不同的；第2个波形图为原始信号经过平滑后的信号波形；第3个波形图为将平滑信号能量累加后的波形，分析该波形即可得到换能器的工作频率特性(见图12)。

由图12换能器的工作频率特性可知：当2.5 MHz～500 kHz的扫频信号发送完成后将产生1个完整的换能器频率特性图，曲线幅值最高点为该换能器的谐振频率175 kHz，最低点850 Hz为换能器的反谐振频率。在谐振频率点，由于换能器的等效阻抗最小，同样的激励信号能够获得较大的发射效率与功率；在反谐振频率点，由于等效阻抗最大，相同的电荷可以产生最大的电压，因此具有较高的接收灵敏度。

4 结论

论文对基于FPGA的超声波换能器测试平台进行了研究，其目的是对换能器的参数进行测试以达到换能器一致性匹配的效果。通过实验结果表明，使用FPGA作为主控芯片产生测试电路需要的激励信号，信号的频率范围从500 kHz～2.5 MHz，增加了激励信号的频率带宽。用LabVIEW设计了一个简单易用的操作平台，利用LabVIEW中的波形处理函数得到换能器的谐振频率与反谐振频率，通过谐振频率与反谐振频率计算出机械品质因数，最终实现了换能器各项参数的测试。该实验平台能够提高换能器配对效率，使其所测参数的一致性更为精准。