基于FPGA的某型发动机超声波探测电路设计

１　引言

固体火箭发动机的钢壳、绝热层、衬层、推进剂多层粘接结构的脱粘缺陷，会引起推进剂碎裂、燃面急剧增加导致燃烧室压力失控、发动机壳体烧穿等，很容易引起发动机爆炸的灾难性后果，因此，对它的检测极其重要［１］。超声波检测技术以检测灵敏度高、方向性好、穿透力强、检验速度快、适用性广泛等优点在无损检测领域占有重要的地位。超声波检测技术以不损害被检对象的使用性能为前提，利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，探测材料内部和表面的缺陷（如裂纹、脱粘等）的大小、形状和分布状况。现如今ＦＰＧＡ技术发展迅速，正在逐渐融合ＣＰＵ和ＤＳＰ的功能。

ＦＰＧＡ不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少。正是因为这些优势，ＦＰＧＡ已经被广泛应用于各类电子产品的设计之中，本文以ＦＰＧＡ为核心控制产生超声波，对回波信号进行高速采集并存储，实现对某型发动机的无损检测。

２　硬件电路设计

２．１　总体方案设计

基于ＦＰＧＡ的超声波探测电路结构框图，如图１所示。系统由脉冲发射电路、高压电源模块、信号调理电路和ＦＰＧＡ控制电路及通信接口电路等组成。脉冲发射电路输出一定超声波频率的脉冲信号，高压电源为超声波发射提供高压激励，信号调理电路用于对回波信号进行限幅、放大、滤波等处理。通信 及存储器接口电路 包括 液晶显示ＳＤＲＡＭ和Ｆｌａｓｈ存储器等部分。Ａｌｔｅｒａ公司在ＳＯＰＣ　Ｂｕｉｌｄｅｒ中集成了这些器件的控制单元，因此，液晶显示器采用１６０２字符型液晶，ＳＤＲＡＭ作为数据交换存储器，软件运行所使用的程序代码、堆栈和数据一般都调入此存储器运行，以提高速度。采用两片１６Ｍ×１６Ｂｉｔｓ的ＭＴ４８ＬＣ１６Ｍ１６组成内存空间。Ｆｌａｓｈ采用Ｉｎｔｅｌ公司的２８Ｆ１２８Ｊ３用于保存所采集到的数据。ＦＰＧＡ主要负责控制整个电路，调节激励脉冲的宽度和重复频率、控制高压电源及放大电路的放大倍数；并将采得的高速数据流转换为相对低速的数据流，便于后续的信号处理工作。ＦＰＧＡ采用Ａｌ－ｔｅｒａ公司推出的ＣｙｃｌｏｎｅⅡ系列的ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８Ｎ。该芯片具有８２５６个逻辑单元，ＲＡＭ空间１６５８８８位，可实现ＮｉｏｓＩＩ嵌入式处理器，且占用不到６００个逻辑单元，内嵌２个锁相环，拥有足够多的Ｉ／Ｏ引脚，支持多种不同的Ｉ／Ｏ标准，应用广泛，是一款高性价比的ＦＰＧＡ芯片［２］。