《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CPLD的相控聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第5期
何 斌,許學(xué)忠,張 芳,張寶國,董明榮
西北核技術(shù)研究所,陜西 西安710024
摘要: 提出一種新的增強(qiáng)聲源指向性的電路設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的相控聲發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)由濾波采樣、信號(hào)延時(shí)、按鍵顯示、D/A轉(zhuǎn)換等電路組成,通過控制聲波在空氣中波陣面的耦合,實(shí)現(xiàn)聲波的相控發(fā)射。試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)能夠較明顯地增強(qiáng)聲源指向性。
中圖分類號(hào): TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)05-0045-04
Design and implementation of phase-controlled acoustic transmission system based on CPLD
He Bin,Xu Xuezhong,Zhang Fang,Zhang Baoguo,Dong Mingrong
Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi′an 710024,China
Abstract: This article discusses a new circuit design to improve the direction of the sound source. Designing a phase-controlled system by the complex programmable logic device-based(CPLD). The system comprises filtering and sampling circuit, signal delay circuit, key-press and display circuit, D/A transforming circuit and so on. The design is able to accurately control the delay of every array elements in order to control the sound wave coupling in the air. Test shows that the system can greatly improve the directional of the sound source.
Key words : directional;CPLD;phase-controlled;delay


    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(qiáng)指向性聲源具有指向性好、聲束可控、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),在軍事、商業(yè)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。本文提出了一種基于硬件電路進(jìn)一步增強(qiáng)聲源指向性的方法。利用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD),將相控技術(shù)引入到聲發(fā)射陣列,通過揚(yáng)聲器陣列前方的波陣面耦合,進(jìn)一步增強(qiáng)聲波在空氣中的相互疊加,用以提高聲源的指向性。
1 系統(tǒng)原理
    本系統(tǒng)以CPLD為控制核心,通過控制輸入揚(yáng)聲器陣列的信號(hào)相位(延時(shí)),實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器各陣元發(fā)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(lì)時(shí)序是兩端陣元先激勵(lì),逐漸向中間陣元加大延遲,使得合成的波陣面指向一個(gè)曲率中心,形成波束能夠在空間聚焦,以達(dá)到增強(qiáng)聲源指向性的目的。

    系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。聲發(fā)射陣列輸入語音信號(hào),通過濾波和A/D采樣單元將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,同時(shí)按鍵顯示單元設(shè)定各陣元的延時(shí)參數(shù),CPLD根據(jù)外部設(shè)定的延時(shí)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列向空氣中發(fā)射聲波。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 CPLD及存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)

    (1)CPLD EPM570簡介
    系統(tǒng)采用Altera公司生產(chǎn)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(yōu)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(biāo)準(zhǔn)邏輯器件??商峁?40~2 210個(gè)邏輯單元(LE)、多達(dá)272個(gè)I/O管腳。
    EPM570實(shí)現(xiàn)的功能是:實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生100 kHz的信號(hào)作為MAX120的采樣時(shí)鐘。每采樣一次,EPM570就把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,并根據(jù)單片機(jī)送來的延時(shí)值找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)用于DA轉(zhuǎn)換。其功能將依靠Verilog HDL語言編程下載到芯片中來實(shí)現(xiàn)。
    (2)存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)
    存儲(chǔ)器選用靜態(tài)存儲(chǔ)器HM62256,它具有32 kB空間,采用0.8 μm的CMOS工藝,轉(zhuǎn)換速度為85 ns。HM-62256管腳與CPLD直接連接,完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取。
2.2 放大濾波電路
    聲發(fā)射陣列的輸入信號(hào)為模擬語音信號(hào),信號(hào)幅度較小且容易夾雜干擾信號(hào),所以需要對該信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)采用INA118對信號(hào)初步放大,利用OPA606構(gòu)建二階有源低通濾波器[4]。
2.3 A/D采樣電路
    A/D采樣電路是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量,以便后續(xù)模塊進(jìn)行數(shù)字化處理。系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX120作為A/D采樣器件,其轉(zhuǎn)換時(shí)間是1.6 μs,采樣率是500 kS/s。采樣的數(shù)據(jù)依次循環(huán)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,由CPLD根據(jù)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間從相應(yīng)的存儲(chǔ)單元調(diào)用數(shù)據(jù)交給DA轉(zhuǎn)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(tǒng)利用鍵盤按鍵實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)按鈕來控制光標(biāo)的左右移動(dòng)和信號(hào)延時(shí)值的增減。LCD默認(rèn)顯示第一路信號(hào)設(shè)定的初始值,單片機(jī)通過控制LCD的讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端來顯示信號(hào)延時(shí)值。
2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路
    系統(tǒng)采用National公司DAC0800實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換,將經(jīng)過延時(shí)處理的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào),并通過功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列發(fā)聲。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 相控延時(shí)設(shè)計(jì)

    對于聲發(fā)射陣列,相鄰兩列聲波的延時(shí)計(jì)算公式為t=d sinθ/c,(d為揚(yáng)聲器兩陣元間距、θ為偏轉(zhuǎn)角度、c為聲速),根據(jù)公式計(jì)算,其延遲分辨率為10 μs即可。系統(tǒng)延時(shí)基于晶振時(shí)鐘計(jì)數(shù),延時(shí)值為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。以圖4為例可以說明相控發(fā)射延時(shí)(一個(gè)通道)的實(shí)現(xiàn)原理。

    相控發(fā)射時(shí)CPLD的內(nèi)部為每個(gè)超聲通道提供了一個(gè)14 bit的延時(shí)計(jì)數(shù)器、一個(gè)14 bit比較器、一個(gè)14 bit的參數(shù)寄存器,用于暫存外部對CPLD寫入的參數(shù)。一次相控發(fā)射開始之前,外部單片機(jī)控制端先后給CPLD內(nèi)的參數(shù)輸入寄存器設(shè)置各通道發(fā)射延時(shí)值。然后CPLD發(fā)出一個(gè)同步信號(hào),啟動(dòng)CPLD內(nèi)各通道延時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)各通道預(yù)定延時(shí)值計(jì)滿后,分別從參數(shù)輸入寄存器調(diào)出數(shù)據(jù)送給DA轉(zhuǎn)換,完成整個(gè)相控發(fā)射延時(shí)過程。相控發(fā)射延時(shí)的仿真波形如圖5所示。其部分代碼如下:

always @(posedge clk)
    case(state)
    5'd0:begin
        if(!busy) state<=5'd1;
        end
    5'd1:begin
        if(busy) state<=5'd2;  //查詢120轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)
        end
    5'd2:begin
        temp62256<=data120; //讀回?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)
    address62256<=count_address; //給出存儲(chǔ)地址
        state<=5'd3;
        end
    5'd3:begin
        wr62256<=1'd0;  //啟動(dòng)62256的讀信號(hào)
        state<=5'd4;
        end
    5'd4:begin
        wr62256<=1'd1;  //清除讀信號(hào)
        address62256<=count_address-din1;
        state<=5'd5;
        end
    5'd5:begin
            rd62256<=1'd0;
            state<=5'd6;
        end
    通過按鍵對各通道預(yù)設(shè)不同的值,就能分別控制各通道的起始時(shí)刻之間的延時(shí)值,從而達(dá)到相控延時(shí)的目的。
3.2 按鍵顯示設(shè)計(jì)
    (1)LCD顯示設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)一上電即初始化,LCD默認(rèn)顯示第一路信號(hào)設(shè)定的初始值。當(dāng)有按鍵輸入改變各路信號(hào)的延時(shí)值,顯示程序通過控制LCD的讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端來顯示當(dāng)前設(shè)定值。圖6為顯示程序流程圖。

    (2)鍵盤輸入設(shè)計(jì)
    采用獨(dú)立式按鍵的鍵盤結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)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(hào)通道數(shù);第1位為空格位,目的是將通道數(shù)和后面的延時(shí)值分開;第2~6位是顯示延時(shí)值,最大顯示值為10000。
4 測試及結(jié)果分析
    將相控聲發(fā)射系統(tǒng)用于聲發(fā)射陣列,以8陣元線性陣列為例,圖7為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)圖,揚(yáng)聲器間距為13.6 cm,輸入信號(hào)為600 Hz、1 000 Hz、1 400 Hz。為實(shí)現(xiàn)在距離陣列中心1.5 m處聚焦,陣列兩端的信號(hào)先發(fā)出,陣列中心的信號(hào)后發(fā)出。以聲陣列中心為圓心、1.5 m為半徑布置一個(gè)1/4圓弧,在圓弧上0&deg;、2&deg;、5&deg;、10&deg;、15&deg;、20&deg;、35&deg;、40&deg;、45&deg;、50&deg;、60&deg;、70&deg;、80&deg;、85&deg;(與陣列中心垂直的點(diǎn)標(biāo)記為0&deg;,記錄數(shù)據(jù)為CH0,依次順延)放置傳感器并與揚(yáng)聲器陣列等高。表1為600 Hz測得的聲壓值。

    聲發(fā)射陣列輻射聲波在空氣傳播中會(huì)產(chǎn)生一定的指向性。添加相控系統(tǒng)后(如圖8所示),在同等條件下陣列主波束中心聲波強(qiáng)度提高了1 dB,旁瓣的聲波強(qiáng)度降低,波束角(-3 dB)由原來的8.1&deg;減小為6.7&deg;,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(qiáng)。如圖9所示,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果測得各點(diǎn)的聲壓值進(jìn)行歸一化處理,更直觀地反映出相控后聲場指向性增強(qiáng)的變化。

    本文設(shè)計(jì)的基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的相控聲發(fā)射系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對發(fā)聲陣列各陣元輸入信號(hào)的精確延時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將相控技術(shù)用于聲發(fā)射陣列,能夠增強(qiáng)聲發(fā)射陣列的指向性。該系統(tǒng)對強(qiáng)指向性聲源的進(jìn)一步研究具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。
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