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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现第VIII页 西南交通大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书班 级 电讯2009- 03班 学生姓名 李栋 学 号 20093988 发题日期：2012 年 11 月 20 日 完成日期：2013年 6月 20 日题 目 基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现 1、本论文的目的、意义：随着电于技术和计算机技术的快速发展， 超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，近几年，相声相控阵技术发展尤为迅速，在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应
2、用等方面取得一系列进展。其中，自适应聚焦相控阵技术尤为突出，它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则，实现了声束的优化控制，提高缺陷的检出率。“基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现”涉及到多种关键技术，如FPGA的开发、电子设计、硬件编程语言等。“基于EP3SL150的FPGA硬件电路系统设计和延时细分算法与FPGA实现”是超声相控阵技术中的一项关键技术，通过Verilog HDL硬件语言描述算法，进而在FPGA芯片上实现功能。 2、学生应完成的任务：首先查阅相关的资料，了解“基于EP3SL150的FPGA系统设计”的原理、结构、组成，进而学习相关知识
3、，了解电路原理，并了解设计思想和仿真原理和过程。在完成以上工作的基础之上，再学习FPGA的相关知识，了解FPGA的原理、工作过程、特色优点和实现方法。接着需要学习Verilog HDL语言的开发技术的相关知识，了解其配合过程，语言特定、模块组成部分的作用以及相关参数的调节方法，重点是模块理论分析和编程思路。在完成以上理论学习的基础上，还要开始着手EDA工具的学习，通过学习了解电子设计自动化的理念及其优势，主要是理解电路设计的思路和方法。在设计完电路之后还要完成相关PCB电路板的制作，并要手工焊接所有的元器件和完成相关的测试、软件和硬件调试任务，以达到较好的控制效果。 3、论文各部分内容及时间分
4、配：（共 15 周）第一部分调研课题的目的、意义和背景，学习相关基础知识。 (2周) 第二部分参阅相关资料，翻译外文资料，方案初步设计，时间规划、过程规划 (2周)第三部分 设计方案模块化、分解设计、系统设计、理论分析、系统仿真、模块仿真、软件编程工程定义，电路方案的工程定义、设计、模块电路图、仿真报告。 (3周)第四部分软件编程、调试，电路设计、仿真，硬件电路的调试、验收，测量方案制定，软件联调，硬件联调、软件和硬件配合调试、联调，软件验收、硬件验收，系统测量验收，验收。 (3周)第五部分撰写软件设计操作文档，硬件文档，软件规范化、硬件规范化；设计归档，撰写论文初稿，导师审查，知识产权审查，
5、修稿，导师审查， (3周)评阅及答辩：提交学院审查、评阅，撰写PPT报告，答辩，提交论文，归档毕业设计文档。 (2周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 摘 要随着科学技术的不断发展，我们对材料质量的检测要求也变得越来越高。现代无损检测技术的发展趋势就是对材料实现高精度、高分辨率的检测。从而为当代复杂的工业设备提供更好的无损评估。在整个超声相控阵系统中，延迟聚焦算法是关键，提高延迟量的精度可以提高整个系统精度。本课题通过对超声相控阵技术中的延迟细分法则的研究，最终实现两种延迟模式，粗延迟和细延迟。粗延迟是指发射脉冲高电平的持续时间只能是延迟模块的控制时钟周期的整数倍；在细延
6、迟中我们可以对延迟模块的控制时钟进行多相位的分频，最终可以提高延迟模块可以达到的精度。FPGA内部集成的增强型锁相环可以实现多相位时钟信号，利用这些多相位的时钟信号，我们可以将延迟量的精度提高。本设计是基于FPGA平台，巧妙地借助FPGA内部集成的增强型锁相环，实现延迟细分算法的硬件电路。并且在modelsim上对设计结果进行验证。主控平台可以完成的扫描模式是扇形扫描，完成相控阵的聚焦法则，最终输出十六个通道的触发脉冲延迟数据。用户可以根据自己的实际要求，手动的选择粗延迟或细延迟。本论文主要对一下几个模块进行论述：算法的实现模块、扫描模块、延迟模块、波束合成模块。在算法实现模块，我们借助FPG
7、A运行速度的优势，实现二进制的开方运算，传统的二进制开方运算采用的是迭代的算法，使得整个算法的实现过程变得比较长。本课题模拟二进制开方手算的过程，利用FPGA内部的乘法器硬核实现二进制开方运算。在整个课题的设计过程中，我们利用FPGA内部集成的硬件乘法器，利用内部集成的增强型的锁相环和快速锁相环对系统时钟进行倍频和分频，产生我们设计所需要的相关时钟信号。这样可以大大简化设计的开发周期，并且可以提高设计的准确性。关键字：FPGA；超声相控阵；细延迟；聚焦法则AbstractWith the continuous development of science and technology, the
8、 quality of our materials testing requirements are becoming increasingly high. Modern non-destructive testing technology trends is right materials to achieve high-precision, high-resolution detector. Thus it provide better Nondestructive Evaluation for contemporary complex industrial equipments. Thr
9、oughout the ultrasonic phased array system, the delay focusing algorithm is the key to improve the accuracy of the amount of delay can improve overall system accuracy. This issue through ultrasonic phased array technology for the delay subdivision law studies, and ultimately implement two delay mode
10、, the coarse delay and fine delay. Coarse delay is the transmitted pulse duration of the high level the control module can only be delayed by an integer multiple of the clock cycle; the fine delay of the delay module, we can control the multi-phase clock frequency, can ultimately increase the delay
11、module achievable accuracy. Enhanced FPGA integrated PLL can achieve multi-phase clock signals, using the multi-phase clock signals, we can improve the accuracy of the delay amount. This design is based on the FPGA platform, cleverly integrated with enhanced FPGA internal PLL to achieve delay subdiv
12、ision algorithm hardware circuit.In modelsim to verify the results on the design. Master platform is completed scan mode sector scan, complete phased array focal law, the final output sixteen channel trigger pulse delay data. According to their actual requirements, users can manually select the coar
13、se or fine delay time.This paper mainly discusses about several modules: algorithm module, scanning module, the delay module, the beam forming module. In the algorithm module, we use the advantage of running speed FPGA to achieve binary root operation, the traditional binary root operation using the
14、 iterative algorithm, making the whole algorithm implementation process becomes relatively long. This topic simulate the process of binary prescribing hand count, using FPGA internal multiplier hardcore achieve binary root operation.Throughout the project design process, we use internal FPGA integra
15、ted hardware multiplier, use enhanced integrated PLL and fast PLL system clock multiplication and division, giving us the needs of design-related clock signal. This can greatly simplify the design of the development cycle, and can improve the design accuracy.Keywords: FPGA; ultrasonic phased array;
16、small delay; focal law目录摘要是否需要显示摘 要IVAbstractV第1章 绪论111引言112超声相控阵无损检测技术的发展现状2121国内超声相控阵无损检测技术的发展现状2122国外超声相控阵无损检测技术的发展现状313本课题研究的内容314本章小结5第2章 超声相控阵聚焦原理的概述621超声波声场基本概念622超声相控阵的检测原理6221超声相控阵的组成6222超声相控阵的聚焦法则723总结9第3章 FPGA的实现1031 EP3SL150的FPGA硬件10311 FPGA10312 FPGA内部锁相环1132 相控阵的发射模块1333 扫描模块的设计16331 偏
17、转角度的扫描18332 PO值的扫描2134 算法的实现模块24341 聚焦算法的基本原理24342 算法的硬件实现模块2635 延迟模块30351 延迟译码模块30352 延迟发射模块3136细延迟模块32361 锁相环模块33362 时钟产生模块34363 延迟模块35364 计算模块3737超声相控阵发射顶层模块383.8硬件仿真结果4039本章小结42结 论43致 谢46参考文献47附录：源程序代码49西南交通大学本科毕业设计(论文) 第104页第1章 绪论注意论文标题中1.1点号是英文格式1.1引言无损检测技术是利用物质的声、光、电特性，在不损害物质的前提下，检测物质中是否存在缺陷，
18、并且可以准确的给出缺陷的大小，位置。与传统的有损检测相比，有以下几个明显的优势：第一，在整个检测的过程中，其不会破坏被检测物体；第二，在必要的时候可以对被检测物进行全方位的检测，这个是有损检测无法达到的；第三，有损检测针对的对象基本都是原材料，而无损检测的对象可以是生产工艺中任何一个生产环节。无损检测是现代科技发展的一个重要分支，在现代工业生产中得到了十分广泛的应用，而超声检测更是无损检测技术中应用最为广泛的。自十九世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应和反压电效应之后1，人们开始利用电子学技术产生控制超声波，从而迅速推广了超声波的发展史。在第一次世界大战期间，人们就已经开始利用超声波技
19、术对水下物体进行检测。经过这么多年的发展，超声波检测技术已经得到了十分广泛的应用，尤其是在工业、医学、和石油开采等方面。对着超声波技术和现代科学技术的不断结合，从而已经开始产生了很多不同的领域。在工业上，近几年发展起来的超声相控阵技术已经发展成为无损检测技术中的研究热点。超声相控阵技术来自于雷达相控阵技术，相控阵雷达技术是由许多辐射单元组成的，通过控制各辐射单元辐射电磁波的相位和幅度，可以灵活调整合成电磁波的辐射方向，从而完成在一定区域的扫描。在超声相控阵，其由很多的压电晶片组成，这些压电晶片在脉冲的控制作用下可以连续不断的发出超声波，所以可以通过控制各个压电晶片发出超声波的时间，实现超声波的
20、聚焦、偏移等特性，完成整个扫描过程，从而检测物体中是否存在缺陷。超声相控阵技术已经有了20多年的发展历史2。初期主要是应用在医学领域，在医学超声成像技术中，用相控阵换能器的快速移动声束，实现对被检测物体的成像功能。最初由于超声相控阵技术的复杂性，超声波在固体中传播的复杂性，以及生产成本高等缺陷，使得超声相控阵技术难以得到广泛的应用。然而随着计算机技术的发展，超声相控阵技术得到的很快的发展，尤其在工业发展特别迅速，数字电路的发展促进了整个超声相控阵技术的准确性。与传统的超声波检测技术相比，超声相控阵有很多优势：在超声相控阵技术中，完成对波束的聚焦是通过控制各个压电晶片发出超声波的时间来实现的，从
21、而避免了对声学透镜的使用。所以检测的范围十分广，可以实现对十分复杂的物体进行检测，避免传统检测中存在的扫描盲区，提高了检测的范围，同时也确保了检测结果的准确性和检测的速率。 利用超声相控阵完成物体检测的整个过程我们并不需要移动被检测物体，直接通过改变聚焦偏转角度改变就可以实现对物体进行多个角度的检测，在对大型复杂工业的检测中，可以大大提高检测的效率。 超声相控阵技术拥有聚焦特性，通过对各个换能器进行一定的时序控制，使得每一个换能器发出的超声波都作用在被聚焦点，这样就可以在很大程度上提高该点的声场强度，大大提高了检测灵敏度。 在超声相控阵技术中，聚焦的偏转角度、聚焦半径的增量等这些重要的参数都是
22、可以自定义的，所以可以通过对这些参数的不断优化，提高整套检测系统的可靠性以及检测精度，同时还可以减少检测的盲区。近几年来，超声相控阵技术得到了很快地发展，在世界无损检测的会议当中，关于超声相控阵技术的文章也变得越来越多3。由于其可以自动的实现聚焦特性，已经在业界得到了广泛的关注。随着压电复合材料、计算机技术、数字电路的不断发展，为超声相控阵技术提供了很好的发展平台。随着技术的不断发展，超声相控阵技术已在多个工业的无损检测领域得到了应用。比如：对石油传输管道的检测、火车车轴的检测、核电站的检测以及航空材料的检测4。由此我们可以看出超声相控阵技术的应用前景是十分好的。12超声相控阵无损检测技术的发
23、展现状121国内超声相控阵无损检测技术的发展现状目前国内的超声相控阵技术主要应用在医学监测中。国内已经出现了很多的研究超声相控阵的机构，其中就包含许多高校，比如：清华大学，上海交通大学，等一些知名高校和研究所对相控阵系统中的自适应聚焦和相控阵的延迟技术方面都做了大量的实验和研究。1.2.2国外超声相控阵无损检测技术的发展现状超声相控阵技术的发展初期是为了应用于医学领域上，最早是为了实现诊断和治疗，主要是向人体发射超声波，并接收超声波，来获得人体组织的一些信息，从而对患者进行诊断，此方法实施起来比较简单，并且得到的图像也比较清楚，所以得到了很快的发展。目前，国外研究的应用于管道检测中的全自动超声
24、相控阵技术已经得到的很广泛的应用，并且对于焊缝检测的技术已经发展的十分成熟。他们在航空航天和核工业方面，对超声相控阵技术提出了更高质量的要求。超声相控阵技术已经成为国外无损检测的研究热点。近几年来，在国外超声相控阵技术的发展中，超声相控阵系统中的压电还能晶片的质量已经得到了很大的提高，由于数字电路的快速发展，对超声波的延迟时间的控制已经可以达到纳秒级别的精确控制。90年代末，国外对合成孔径聚焦技术的研究对超声相控阵的发展产生了很大的影响。目前已经有公司推出了全新的超声相控阵的检测技术，可以实现扇形扫面，动态聚焦等功能，使得相控阵技术的应用又得到了很大程度的发展。麻省理工学院研究出来的超声相控阵
25、检测技术可以对混凝土进行检测，并且可以判断混凝土中钢筋的具体位置以及走向。英国推出了一款超声相控阵检测设备，可以实现用电池供电，这种设备可以实现对32路压电晶片同时激发，并且能够很好的接受到回波信号，针对回波信号进行分析，最终产生完整的检测分析报告。日本生产的超声相控阵技术主要是应用于检测焊缝连接，该种技术在整个超声相控阵技术中占有很重要的地位5。在国外超声相控阵技术研究的重点已经逐步向相控阵的动态聚焦、自适应聚焦、高分辨率的数字成像等方面进行发展。 13本课题研究的内容在整个超声相控阵技术中，如何控制各个晶片发射超声波的时间是这项技术的关键，合理的控制超声相控阵技术中的延迟技术使得合成的超声
26、波可以发生聚焦偏转等特性是整个技术的核心内容。由此可以相控阵的延迟技术是设计超声相控阵技术的核心，合理的设定延迟量，控制各个晶片发射超声波的时序，使得整个设计达到要求。在传统的超声相控系统中，整个系统的控制核心是计算机。计算机通过一系列的计算，得到每个通道确定的延迟信息，之后经过总线技术，传输给下位机。下位机在控制信号的作用下，接收由计算机传来的数据，根据具体的数据，控制模拟多路开关，实现各个通道的延迟。在这个系统中延迟量是通过模拟开关产生的，所以整个系统的硬件实现电路比较复杂，从而使得系统的集成度降低。随着数字电路的不断发展，尤其是现场可编程门阵列的发展，基于FPGA的数字电路的设计已经展现
27、出来了十分强大的优势，而且人们对FPGA的认识也越来越成熟了，已经可以开始利用FPGA设计很多十分复杂的逻辑电路，并且整个系统的集成度也十分高。Altera公司也根据电子技术发展的要求，推出了一代又一代FPGA，使得利用FPGA设计的成本不断的减少，技术越来越成熟。所以本次课题通过多次调研，了解FPGA的特性，结合超声相控阵技术的特点，利用FPGA平台，来实现整个延迟细分算法，利用逻辑门阵列，代替传统的模拟开关，从而实现16通道的超声相控阵的延迟电路，大大增加了整个系统的集成度。本论文研究的主要内容如下：1.研究超声相控阵技术，了解其基本原理以及实现该设计的基本方法，尤其是对延迟细分算法实现部
28、分的研究2.了解EP3SL150的FPGA 硬件电路系统设计，主要包括设计中用到的一些特殊模块的学习快速锁相环FPLL和增强型锁相环的学习EPLL。3.基于FPGA主控平台实现一些模块的具体功能，主要包括，发射模块，扫描模块，算法的实现模块，延迟模块以及利用FPGA内部增强型锁相环实现8相位的时钟信号的输出，最终实习细延迟功能。4.利用Modelsim软件对整个系统的设计进行仿真，确保整个系统设计的理论可实现性。5.将程序下载到FPGA里面，利用软件集成的逻辑分析仪，对硬件电路的测试结果进行验证，确保程序的实际可操作性。其中论文中对利用FPGA实现模块的部分作为本次论文说明的中心。14本章小结
29、本章主要介绍了超声相控阵的发展历史以及超声相控阵的主要应用。描述国内外的超声相控阵的发展状况，最后介绍了课题中研究的主要内容。第2章 超声相控阵聚焦原理的概述人类能够听到的声音的频率小于20KHZ，当声音的频率不在这个范围的时候，人类的听觉就失去了作用。通常我们将频率大于20KHZ的声音成为超声波7。超声波的波长一般都比较短，不容易在空间形成绕射效应，基本可以认为是按照直线传播的，具有很好的方向性，并且其具有很强的穿透性，所以在很多方面超声波都得到了广泛的应用。超声相控阵技术的理论基础就是超声波的传播特性，主要利用到了超声波声场的一些特性，以及关于空间中合成波的一些基本特性。超声相控阵技术中，
30、主要利用的是超声波在空间传播中会发生发射，折射，在空间超声波会相互之间干扰形成叠加效应等特性。利用超声波在不同介质中会形成不同的传播特性是利用超声相控阵技术进行无损检测最主要的理论依据。21超声波声场基本概念超声波的声场指的是充满超声波的空间，以及包括由于超声波的波动而带动空间介质震动的部分介质。在空间中，稳定的超声波声场具有一定的特性，但是在两种介质间，超声波可能会存在一些不同的特性，所以可以通过检测这些超声波参量的变化，来确定被检测物体中是否存在缺陷。超声波的参量主要包括以下几个部分“声压、声强以及特征阻抗1。在超声波传播的整个过程中，声阻抗表明了介质对超声波的阻碍情况，对于不同的介质其对
31、超声波产生的阻碍作用是不一样的，所以我们可以以该理论作为基础，判断陪检测物体中是否存在缺陷。反而言之，如果介质和缺陷间的声阻抗一样，则我们同样无法检测到被检测物体中是否存在缺陷。22超声相控阵的检测原理221超声相控阵的组成超声相控阵中重要组成部分是相控阵中的多个探头，每个探头都是由压电转换器构成的，可以实现将电压信号转换为声能信号。它是超声相控阵检测系统中的最主要的部分，晶片的灵敏度的提高可以提高整个相控阵检测的精度和检测的准确性。在相控阵系统中，各个晶片按照一定的规律分散而成8，本课题研究的主要是线性分布的相控阵。各个晶片之间是相互独立的，均可以在脉冲作用下发射只和该通道相关的超声波。并且
32、所有通道发出的超声波是想干波，这些相干波在空间会进行叠加，最终实现稳定的声场。在超声波的参数中，声阻抗是最重要的，他是实现利用超声波进行无损检测的基础。声阻抗值指的是在超声波传播的过程中，介质内任意一点的声压与超声波传播速度的比值。声阻抗表示了介质对超声波的阻碍作用，所以对于不同的介质来讲由于声阻抗特性是不一样的，从而导致超声波在不同介质中传播的过程中会表现出不同的传输特性。前面已经提到了，超声波在不同的介质中传播时，介质呈现出来的阻抗特性是不一样的，当相控阵的各个通道发出超声波之后，当超声波遇到被检测物体时，由于反射现象的存在，会有一部分的超声波反射回来。所以我们就可以通过接受相控阵发射出来
33、的超声波的回波来判断被检测物体中是否存在缺陷。222超声相控阵的聚焦法则相控阵的聚焦法则，是整个超声相控阵系统的主要组成部分，当相控阵中的各个晶片接收到具有不同延迟量的脉冲信号之后，就会形成不同的特性，我们将各个晶片要遵守的时序法则称为相控阵的聚焦法则9。波束的偏转：当相控阵系统中的各个晶片发射脉冲的延迟量满足等差数列的时候，超声波的波阵面将表现出来偏转的特性10。波束的聚焦：当超声相控阵系统中，各个晶片发射的延迟时间呈抛物线关系的时候，发射的超声波的波阵面会在中心轴上的某一点出现聚焦特性11。图2-1为波束偏转聚焦的示意图。图2-1波束偏转和聚焦的示意图在整个超声相控阵的控制系统中，我们不是
34、要单单实现波束的聚焦或波束的偏转，而是要在系统中同时实现波束的偏转和聚焦特性，所以我们必须要认真的讨论如何控制延迟聚焦的时间，运用合理的算法实现最终的聚焦过程。并且要在设计的基础上尽可能的提高设计的精确度和使用的范围。综上所述，在整个相控阵技术中，延迟聚焦算法是整个相控阵系统设计的核心，延迟量可以达到的精度影响整个相控阵的精度。只有确保超声相控阵系统可以发射出稳定的超声波，最终的相控阵系统才可以达到设计要求。在以往的很多设计中，延迟信息的实现是通过模拟开关进行控阵的，并且由于系统比较庞大，数据传输的聚焦长，所以在数据的传输过程中，可能会造成一定程度上的误差。FPGA是专门为处理数字电路，可以实
35、现很强大的逻辑功能，并且芯片的集成度很高，本课题通过在FPGA实现相控阵系统，取代传统意义上的模拟开关，可以增加系统的可靠性，并且数据传输的距离有限，可以确保数据传输的可靠性。23总结在整个超声相控阵的控制系统中，我们不是要单单实现波束的聚焦或波束的偏转，而是要在系统中同时实现波束的偏转和聚焦特性，所以我们必须要认真的讨论如何控制延迟聚焦的时间，运用合理的算法实现最终的聚焦过程。并且要在设计的基础上尽可能得提高设计的精确度和使用的范围。综上所述，在整个相控阵技术中，延迟聚焦算法是整个相控阵系统设计的核心，延迟量可以达到的精度，直接影响到整个相控阵的精度。只有确保超声相控阵系统可以发射出稳定的超
36、声波，最终的相控阵系统才可以达到设计要求。在以往的很多设计中，延迟信息的实现是通过模拟开关进行控阵的，并且由于系统比较庞大，数据传输的时间长，所以在数据的传输过程中，可能会造成一定程度上的误差。FPGA是专门处理数字电路，可具有很强大的逻辑功能，并且芯片的集成度很高，本课题通过在FPGA实现相控阵系统，取代传统意义上的模拟开关，可以增加系统的可靠性，并且数据传输的距离有限，可以确保数据传输的可靠性。第3章 FPGA的实现31 EP3SL150的FPGA硬件311 FPGAStratixII（EP3SL150是第三代还是第二代）系列的FPGA加入了一个新的逻辑结构，尽可能大的提高了设备的性能，内
37、部的逻辑门阵列的密度增加到180,000个。StratixII内部集成了9M的矩阵存储器，可以被应用于一些对存储器要求很高的设计中，内部增加了96个DSP模块，内部集成了384个18位乘以18位的乘法器，用户可以直接调用这些硬核乘法器，可以大大降低用户的开发周期。支持一些高速的外部存储器接口，I/O接口支持很多电平标准，在DPA回路中支持1G/S的输出传输速度。StratixII内部提供了完整的时钟管理模式，内部运行的时钟最大可以达到550M，内部锁相环可以实现12种相位时钟。用户可以对以前配置的FPGA通过数据流重新配置内部寄存器10。StratixII中的用户逻辑单元是采用二维矩阵形式进行
38、排列的，行和列之间使用不同长度不同速度的内部连接将逻辑数组模块，存储器模块，和数字信号处理模块连接在一起。每一个逻辑数组模块包括了8个自适应逻辑模块。ALM是StratixII系列FPGA的基本逻辑设计模块，提高了用户逻辑功能实现的效率。在芯片内部LABs也是按照行和列排列的。StratixII的特征：包含的逻辑单元的个数最多可以达到179400个；增加了自适应逻辑模块，提高了FPGA的性能，提高资源的利用率；在没有降低逻辑资源的基础上，使得RAM增加到9383040位；矩阵存储器，包括了三个RAM模块，被应用在双端口的存储器中，内部集成了FIFO缓冲器；高速的数据处理模块，应用于硬件乘法器中
39、，最大运行速度可以达到450M，乘法累加功能，有限的脉冲响应滤波器；在每个区域中包括了24个时钟源，增加了16个全局时钟；时钟管理模块支持动态的时钟使能和禁制功能，可以禁制时钟信号的运行，减少设备的功耗；内部集成了12个锁相环其中包括四个增强型锁相环和8个快速锁相环，每一个锁相环都支持时钟的功率谱密度的拓展，可以对带宽进行配置，时钟转换功能，实时的锁相环进行重新配置，先进的倍频和相移的能力；支持多种单端和差分输入输出的电平标准；在DPA模块中，差分I/O端口的运行速度可以达到1G/S；支持高速网络和通信总线的标准；支持远程配置更新；可以通过配置加密确保系统设计的安全性；在调用IP核的模块中，S
40、tratixII提供了多个产权技术，用户可以调用比较多的IP核模块，优化系统的设计。在本次课题的设计中，我们需要直接调用FPGA内部的乘法器硬核资源提高FPGA逻辑单元的利用率，直接调用硬核资源可以确保计算结果的准确性，StratixII内部的具有丰富的硬核乘法资源可以调用。在细延迟模块中，我们需要产生8相位的时钟输出，而FPGA内部集成的增强型锁相环可以很方便的实现这种功能，并且输出的结果具有很高的精度。在本课题的设计中，我们外部采用的时钟信号比较多，FPGA内部的时钟管理模块可以对这些时钟进行很好的管理，避免时序的混乱。312 FPGA内部锁相环锁相环的功能：锁相环路实际上就是一种反馈电路
41、，简称锁相环12。锁相环的特点是可以实现信号频率和相位的跟踪。锁相环包括三个部分：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器器，鉴相器通过比较输入信号和反馈信号的频率和相位，并且将信号的差值转换为电压值；环路滤波器通过滤除电压信号携带的一些文波和噪音，将电压信号变为稳定的电平值；产生的电平值控制压控振荡器的输出频率和相位，最终实现输出信号和输入信号的频率相等、相位差保持恒定。锁相环通常用来产生进行信号的分频或者倍频，并且可以产生质量较高的时钟信号。FPGA内部的锁相环：FPGA内部的锁相环可以两种：增强型锁相环（EPLL）、快速锁相环（FPLL）。StratixII中的锁相环提供了完整的时钟管理、控制设备
42、时钟管理的同步性、外部系统的时钟管理、可以进行高速的I/O端口通信。StratixII内部有12个十分通用的锁相环，并且其可以配置零延迟缓冲，地抖动模式等其他模式。StratixII内部包含两种锁相环，增强型锁相环和快速锁相环。增强型锁相环和快速锁相环都有很强的可操作性，并且可以进行一些对于锁相环来讲比较先进的操作方式，比如说输入时钟可以在多个时钟源之间进行转换、可以进行锁相环相位的重新配置、锁相环的重新配置以及带宽的重新配置。内部的锁相环可以被用来进行时钟管理，支持复用功能，可以自定义的配置相移和占空比。另外增强型锁相环可以支持外部时钟作为反馈信号，进行时钟功率谱的拓展，并且可以进行锁相环的
43、多级级联模式。快速锁相环提供了十分快的数据传输速度，可以用来进行高速差分I/O端口的输入输出。StratixII内部的锁相环支持低功耗模式，当时钟信号不需要工作的时候，我们可以很容易的禁制该时钟信号的运行，从而减少设备的功耗。锁相环输入时钟可以从五个可能的时钟源中动态的选择一个时钟作为其输入时钟，反馈到第一个或者第二个时钟输入端口。增强型锁相环：StratixII设备包括了四个增强型的锁相环，其可以进行先进的时钟管理特性。锁相环的主要目的是为了保证内部和外部的时钟与输入的参考时钟保持相位和频率的一致性。FPGA内部包括了很多部分确保整个系统的可靠性。StratixII在输入参考时钟的上升沿通过
44、鉴相器将信号反馈回来。设定占空比的参数可以改变时钟的下降沿。鉴相器通过产生一个增加或者减少的信号决定压控振荡器产生的时钟信号的频率应该增加还是应该减少。鉴相器的输出信号通过电荷垹和环路滤波器产生一个电压控制信号，控制压控振荡器器的输出频率。如果鉴相器的输出电压增加，VCO的输出频率增加，反之VCO的输出频率减少。鉴相器将增减控制信号输入到电荷垹中，根据电荷垹的输出，电荷垹会进行输出电流的增加或者减少的。环路滤波器将这些增减信号转换为相应的电压信号，作用于压控振荡器。环路滤波器可以滤除有电荷垹出来的短波干扰。环路滤波器的输出电压决定了压控振荡器的输出频率。VCO实现了四级差分回路晶振。分频因子插
45、入到反馈回路中增加VCO的频率，VCO的输出频率等于m倍的输入参考频率。鉴相器的输入参考频率等于锁相环的输入频率除以n，所以FPGA内部的锁相环可以同时实现分频和倍频的功能。VCO的输出可以通过六个不同的通道反馈回去。通过设计计数器的大小，我们可以产生一系列相关的输出时钟信号。图3-1是FPGA内部增强型锁相环的内部框图图3-1 FPGA内部增强型锁相环六个输出时钟均可以用作外部时钟的输出端口，所以每一个计数器都可以对应着产生响应的频率信号。每一个输出时钟的相位都可以进行单独的设定，也可以通过设计倍频和分频因子产生不同频率和不同相位的相关时钟。时钟的输出电平可以支持很多种模式，用户可以自动设定输出时钟对应的电平。当没有使能锁相环功能的时候，这些锁相环的端口可以被用作普通的I/O端口进行数据的通信。 32 相控阵的发射模块在整个超声相控阵延迟细分算法的实现过程中包含了多个模块，并且各个模块在时序上必须要满足一定的时间顺序，否则在每个模块的计算过程中得不到准确的数据，从而影响整个计算的结果，所以我们必须要合理的编写一些控制信号，按照一定的时序要求，使能各个模块。图3-2为发射控
