基于CPLD的相控声发射系统设计与实现

摘  要： 提出一种新的增强声源指向性的电路设计方法，设计了基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的相控声发射系统。该系统由滤波采样、信号延时、按键显示、D/A转换等电路组成，通过控制声波在空气中波阵面的耦合，实现声波的相控发射。试验表明，该系统能够较明显地增强声源指向性。
关键词： 指向性；CPLD；相控发射；延时
       声源的指向性反映了声源在不同方向上的声辐射特性[1]。强指向性声源具有指向性好、声束可控、传播距离远等特点，在军事、商业、教育等领域具有广阔的应用前景[2]。本文提出了一种基于硬件电路进一步增强声源指向性的方法。利用复杂可编程逻辑器件（CPLD），将相控技术引入到声发射阵列，通过扬声器阵列前方的波阵面耦合，进一步增强声波在空气中的相互叠加，用以提高声源的指向性。
1 系统原理
     本系统以CPLD为控制核心，通过控制输入扬声器阵列的信号相位（延时），实现扬声器各阵元发射的声波束在空间叠加合成，从而形成声束聚焦的效果[3]。如图1所示，如果各阵元的激励时序是两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟，使得合成的波阵面指向一个曲率中心，形成波束能够在空间聚焦，以达到增强声源指向性的目的。
   
       系统总体框图如图2所示。声发射阵列输入语音信号，通过滤波和A/D采样单元将该信号进行模数转换，同时按键显示单元设定各阵元的延时参数，CPLD根据外部设定的延时值进行数据处理，经由D/A转换后的模拟信号通过功率放大器驱动扬声器阵列向空气中发射声波。
   
   2 系统硬件设计
2.1 CPLD及存储器接口设计
     （1）CPLD EPM570简介
     系统采用Altera公司生产的CPLD中的EPM570作为核心控制芯片。它属于MAX II器件系列中的一员，采用基于成本优化的六层金属0.18 μm、嵌入Flash工艺，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系列中具有较低的单位I/O成本和较低的功耗，能够代替成本更高或功率更高的FPGA、ASSP和标准逻辑器件。可提供240~2 210个逻辑单元（LE）、多达272个I/O管脚。
     EPM570实现的功能是：实时时钟产生100 kHz的信号作为MAX120的采样时钟。每采样一次，EPM570就把数据存储在存储器中，并根据单片机送来的延时值找到相应的数据用于DA转换。其功能将依靠Verilog HDL语言编程下载到芯片中来实现。
     （2）存储器接口设计
     存储器选用静态存储器HM62256，它具有32 kB空间，采用0.8 μm的CMOS工艺，转换速度为85 ns。HM-62256管脚与CPLD直接连接，完成数据的存储与读取。
2.2 放大滤波电路
     声发射阵列的输入信号为模拟语音信号，信号幅度较小且容易夹杂干扰信号，所以需要对该信号进行处理。系统采用INA118对信号初步放大，利用OPA606构建二阶有源低通滤波器[4]。
2.3 A/D采样电路
     A/D采样电路是将输入的模拟信号转变为数字量，以便后续模块进行数字化处理。系统采用MAXIM公司的MAX120作为A/D采样器件，其转换时间是1.6 μs，采样率是500 kS/s。采样的数据依次循环存储在存储器中，由CPLD根据设定的延时时间从相应的存储单元调用数据交给DA转换。图3为放大滤波与A/D采样电路原理图。