本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的相控陣超聲操控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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【摘要】：眾所周知,超聲駐波能使質(zhì)量較輕的小顆粒駐留在它的的聲壓節(jié)點處,因此能夠通過有規(guī)律地移動聲壓節(jié)點來實現(xiàn)對懸浮物體的操控。在傳統(tǒng)一維聲操控系統(tǒng)的研究中,超聲波束的聲軸與懸浮顆粒的重力方向平行,通過控制超聲波探頭發(fā)射超聲波的相位或頻率的方式,可以沿著固定聲軸對懸浮物體進行操控。論文提出了一種基于FPGA的相控陣超聲操控系統(tǒng)新設(shè)計方案,在三維空間空氣中對超聲駐波懸浮操控進行研究。利用四塊相控陣探頭板構(gòu)成操控的三維空間環(huán)境,并且在三維空間中產(chǎn)生一個超聲聚焦點,同時利用兩兩相對放置的探頭板來產(chǎn)生超聲駐波,則在超聲聚焦點附近的駐波節(jié)點將具有足夠的聲場輻射力來平衡放入三維空間中的小顆粒的重力,從而達到對空中小顆粒的捕獲目的。然后讓由四塊相控陣產(chǎn)生的超聲聚焦點隨著駐波節(jié)點的移動而移動進而就能保證穩(wěn)定、可靠第操控捕獲到的小顆粒。新方案設(shè)計的超聲駐波懸浮操控系統(tǒng)有兩個特點,一是能在三維空間任意位置處產(chǎn)生超聲駐波且波束的方向是任意的;另一個是超聲聚焦點跟隨駐波節(jié)點移動,保證節(jié)點處聲壓的穩(wěn)定。論文研究的超聲波頻率是40KHz,操控的環(huán)境是三維空間空氣中。首先,論文分析了超聲駐波懸浮操控的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,認識到要進行相控陣超聲操控系統(tǒng)的研究與設(shè)計,必須對相控陣超聲發(fā)射聚焦和相控陣超聲駐波懸浮原理有很好的掌握,故論文首先對相控陣超聲駐波懸浮機理進行了研究,分析了一定體積聚氯乙烯小球在與其重力平行方向上的受力情況。其次,論文提出了相控陣超聲操控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,包括USB3.0轉(zhuǎn)FPGA接口板方案、驅(qū)動板方案、探頭板方案和ACDC電源方案。并根據(jù)方案利用Cadence軟件完成了硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn),最重要的是對驅(qū)動板上驅(qū)動電路的設(shè)計。為后續(xù)驗證基于新方案系統(tǒng)的超聲操控性能搭建起了硬件平臺。接著,設(shè)計并完成了系統(tǒng)兩個主要部分的FPGA設(shè)計,包括焦點坐標模塊和延遲發(fā)射模塊的設(shè)計與部分仿真,并利用ComSol5.0軟件對三維聲場進行了仿真與分析。最后,對設(shè)計的驅(qū)動單元電路進行了測試與分析,并搭建系統(tǒng)硬件平臺,加載FPGA代碼對撒入三維空氣中直徑1.5mm泡沫小顆粒進行了實驗驗證,并對驗證結(jié)果進行了分析。
【關(guān)鍵詞】：相控陣 FPGA 空中 駐波懸浮 ComSol5.0
【學位授予單位】：南昌航空大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB559
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 緒論8-15
• 1.1 超聲駐波懸浮操控系統(tǒng)研究背景與意義8-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢10-13
• 1.2.1 超聲駐波懸浮操控技術(shù)概述10-11
• 1.2.2 國內(nèi)外超聲駐波懸浮技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢11-12
• 1.2.3 國內(nèi)外超聲駐波操控技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢12-13
• 1.3 論文研究目標13
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容及安排13-15
• 第2章 相控陣超聲操控原理分析15-19
• 2.1 相控陣超聲駐波懸浮原理概述15-16
• 2.1.1 超聲駐波聲壓節(jié)點簡介15
• 2.1.2 相控陣超聲操控原理概述15-16
• 2.2 超聲輻射勢能16-17
• 2.3 相控陣超聲駐波聲壓分布17-18
• 2.4 相控陣超聲駐波懸浮原理18
• 2.5 本章小結(jié)18-19
• 第3章 相控陣超聲操控系統(tǒng)方案設(shè)計19-24
• 3.1 相控陣超聲操控系統(tǒng)總體方案設(shè)計19-20
• 3.2 USB轉(zhuǎn)FPGA接口板方案設(shè)計20-21
• 3.3 探頭板方案設(shè)計21
• 3.4 驅(qū)動板方案設(shè)計21-22
• 3.5 ACDC電源設(shè)計方案22-23
• 3.6 本章小結(jié)23-24
• 第4章 相控陣超聲操控系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)24-35
• 4.1 Cadence Allegro SPB 16.3 軟件概述及設(shè)計流程24-27
• 4.1.1 Cadence Allegro SPB 16.3 軟件概述24-26
• 4.1.2 Cadence Allegro SPB 16.3 設(shè)計流程26-27
• 4.2 探頭板硬件設(shè)計與實現(xiàn)27-29
• 4.2.1 探頭板硬件設(shè)計27-29
• 4.2.3 探頭板硬件實現(xiàn)29
• 4.3 驅(qū)動板硬件設(shè)計與實現(xiàn)29-34
• 4.3.1 驅(qū)動板電源接口電路29-30
• 4.3.2 驅(qū)動板電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計30-31
• 4.3.3 JTAG下載接口電路設(shè)計31-32
• 4.3.4 FPGA配置芯片EPCS及外圍電路設(shè)計32-33
• 4.3.5 驅(qū)動板驅(qū)動單元電路設(shè)計33-34
• 4.3.6 驅(qū)動板硬件實現(xiàn)34
• 4.4 本章小結(jié)34-35
• 第5章 相控陣超聲操控系統(tǒng)的FPGA設(shè)計35-47
• 5.1 FPGA編程設(shè)計概述35-37
• 5.1.1 FPGA編程原理35-36
• 5.1.2 FPGA開發(fā)設(shè)計流程36-37
• 5.2 焦點坐標模塊的FPGA設(shè)計37-43
• 5.2.1 焦點移動坐標計算模塊的FPGA設(shè)計37-39
• 5.2.2 串口頂層模塊的FPGA設(shè)計39-43
• 5.3 相控陣超聲聚焦發(fā)射延遲的FPGA設(shè)計43-45
• 5.3.1 相控陣超聲聚焦發(fā)射延遲原理43-45
• 5.3.2 發(fā)射延遲模塊的FPGA設(shè)計思路與仿真45
• 5.4 系統(tǒng)聲場的仿真45-46
• 5.5 本章小結(jié)46-47
• 第6章 系統(tǒng)的測試與驗證47-51
• 6.1 驅(qū)動單元電路測試與分析47-48
• 6.2 單塊相控陣超聲駐波懸浮性能測試與分析48-49
• 6.3 系統(tǒng)驗證49-51
• 第7章 總結(jié)與展望51-52
• 7.1 論文總結(jié)51
• 7.2 下一步工作展望51-52
• 參考文獻52-55
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文與科研情況55-56
• 致謝56-57
• 附錄57-78

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本文編號：927925