CN104375146A - 一种多功能超声波测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能超声波测量系统，包括换能器单元、收发处理单元、中心处理单元、用户设置单元、输入输出单元、显示单元；中心处理单元分别与收发处理单元、输入输出单元、用户设置单元、显示单元相连；收发处理单元与换能器单元相连；收发处理单元包括发射控制模块、发射驱动模块、接收电路模块、接收控制模块、混频模块、AD变换模块；本发明采用集收发一体的超声波换能器，采用两路接收和发射，两路数据对比计算，为后续分析定位提供更加精确的数据，设置了人机交互的模式，同时可与外界进行通信，获得外界温度和位置信息，为定位提供更加准确的分析数据，设有绘图显示功能，使使用者更加直观的观察测量情况和测量数据。

Description

一种多功能超声波测量系统

技术领域

本发明公开了一种多功能超声波测量系统，涉及船舶安全和渔业探测技术领域。

背景技术

超声波用于船舶测量的历史由来已久，其基本原理是利用电路驱动超声波压敏振子发射固定频率的超声波功率信号，遇到目标反射的回波信号被超声波传感器拾取。电子设备根据超声波发射和接收到的时间间隔计算目标的距离。

安装在船舶上的超声波测量设备根据用途大致可分为三种，一是水文测量设备，通常是多波束的测量，并具有大容量数据存储，用于水下地形测量、河道疏浚等；二是导航测深设备，用于船舶航行时的航道水深的监控和记录，满足国际海上安全法规的要求；三是助渔设备，用于显示船舶下方一定区域内的目标鱼群以帮助提高作业效率。

上述的后两种设备虽有一些功能上的区别，如操作功能设置、传感器频率、对显示图形的要求等；但从设备的安装方式或设备系统组成都有很多共同之处，一般均由安装于船舶驾控台的具有显示和操作以及数据接口的主机和安装在船舶底部的传感器组成，这为采用一种共用的软硬件系统实现两种测量的功能提供了可能。

本发明的多功能超声波测量系统采用统一的硬件系统，预留扩展功能的接口，硬件上可以自动适应于外接超声波传感器的频率，通过软件的选项来确定测量的功能，优化的设计给生产、采购、调试和维修带来极大的便利。

专利号为CN103869321A，专利名称为一种超声波测距系统及控制其测距的方法，该专利指出了现有技术体积庞大，携带不便的缺点，该专利采用单片机的集成功能实现了超声波测距系统的体积减少，但是为了减小体积，该专利的系统减少了许多必要的功能，只采用单片机配以外围电路来实现，这样一来超声波测距系统的功能就受到限制，并不适合技术发展的需要。

专利号为201410161074.3，专利名称为一种抗噪声超声波测距设备，该专利指出来现有技术中采用传统门限法探测方法的缺点，对方法进行了改进，虽然探测精度提高了，但该专利仍然仅限于简单的测距，功能过于单一，不符合现在技术发展的要求。

综上所述，现有的超声波测量系统还存在很多缺点，需要进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种多功能超声波测量系统，采用集收发一体的超声波换能器，同时采用两路接收和发射，两路数据对比计算，获得更加准确的数据，同时为后续分析定位提供更加精确的数据，同时该系统设置了人机交互的模式，人工选择和自动选择工作模式等参数，同时可与外界进行通信，获得外界温度和位置信息，为定位提供更加准确的分析数据，设有绘图显示功能，使使用者更加直观的观察测量情况和测量数据。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种多功能超声波测量系统，包括换能器单元、收发处理单元、中心处理单元、用户设置单元、输入输出单元、显示单元； 

其中，中心处理单元分别与收发处理单元、输入输出单元、用户设置单元、显示单元相连。

收发处理单元与换能器单元相连；

收发处理单元包括发射控制模块、发射驱动模块、接收电路模块、接收控制模块、混频模块、AD变换模块；

中心处理单元包括第一中央处理器、第二中央处理器、功率控制模块、频率控制模块、增益控制模块、信息存储模块、回波图形模块；

输入输出单元包括外部数据输入模块和外部端口控制模块；

显示单元包括显示输出控制模块、显示主控模块、存储器、显示屏；

所述第一中央处理器分别连接第二中央处理器、发射控制模块、AD变换模块、增益控制模块、信息存储模块、回波图形模块；

所述第二中央处理器分别连接功率控制模块、频率控制模块、外部数据输入模块、外部端口控制模块、回波图形模块；

所述功率控制模块连接发射控制模块；

所述频率控制模块分别连接发射控制模块、混频模块；所述发射控制模块连接发射驱动模块；

所述AD变换模块、混频模块、接收控制模块、接收电路、换能器依次相连；

所述增益控制模块分别连接接收控制模块、用户设置单元；

所述信息存储模块分别连接外部数据输入模块和显示输出控制模块；

所述显示输出控制模块连接显示主控模块，显示主控模块分别连接存储器和显示屏；

第一中央处理器控制发射控制模块，第二中央处理器控制功率控制模块和频率控制模块作用于发射控制模块，从而控制发射控制模块产生的载波脉冲信号的载波频率、脉冲的宽度和幅度，发射控制模块将产生的载波脉冲信号，发送到发射驱动模块，发射驱动模块将在载波脉冲信号经过升压处理后产生大功率的输出信号，推动换能器发射超声波；

换能器将目标反射的回波转换为电信号发送到接收电路模块，接收电路模块将接收的电信号进行滤波、放大、整形和幅度控制后，送入混频模块，混频模块将接收的信号转换为中频信号，然后送入AD变换模块，AD变换模块将收到的中频信号转换为数字信号后送入第一中央处理器；

第一中央处理器将接收的回波信号处理并计算出回波信号的有效值，并根据回波信号的强弱，输出不同的信号电压提供给回波图形模块形成回波图像，同时将回波的深度数据发送到信息存储模块进行保存。 

作为本发明的进一步优化方案，所述换能器单元包括两个换能器。

作为本发明的进一步优化方案，所述换能器为超声波换能器，所述超声波换能器包含电声转换的发射振子和声电转换的接收振子。

作为本发明的进一步优化方案，所述混频模块接收到的信号频率为50KHz或200KHz，所述混频模块将接收到的频率为50KHz或200KHz的信号转换为455KHz的中频信号。

作为本发明的进一步优化方案，所述输入输出单元包括GPS定位模块和温度采集模块，所述GPS定位模块、温度采集模块分别将获得的位置信息和温度数据通过外部数据输入模块发送到第二中央处理器。

作为本发明的进一步优化方案，所述显示单元包括显示输出控制模块、显示主控模块、存储器、显示屏；所述显示输出控制模块接收来自深度数值模块、回波图形模块、信息存储模块、显示模式选择模块的指令，根据所得的信息和数据合成显示器需要的视频格式，发送到显示主控模块处理并通过存储器对视频数据进行缓存，显示主控模块将图形数据转换成显示屏所需要的脉冲序列，并通过显示屏显示形成图形和文字。

作为本发明的进一步优化方案，所述显示主控模块采用FPGA。

作为本发明的进一步优化方案，所述存储器采用DSRAM。

作为本发明的进一步优化方案，所述外部端口控制模块设有与复显仪、VDR、打印机和声光报警设备分别相连的输出端口。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，双频采用独立的收发通道，不会造成双频间的相互干扰, 双通道的收发参数可独力调整，互不影响；通过显示模式的选择，双频可自由显示在屏幕上，既可独立显示单个频率，也可同时显示，根据用户的喜好，用户可选择屏幕的分割显示，既可以独立显示其中一个通道测量结果，也可以采用左右分割或上下分割的方式显示两个通道的测量结果。数据接口集成了GPS、温度采集模块，使系统可适用于更多的产品种类中，由于常用的操作和功能已在系统中集成，使得系统用户操作非常简单，特别适合于冰冻、潮湿等恶劣的海洋环境中，具有高稳定性可高可靠性和低成本等优点。

附图说明

图1为本发明的电路模块示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种多功能超声波测量系统，本实施例中，如图1所示，换能器单元包括两个集收发于一体的超声波换能器，即图1中的收发一体式换能器1和收发一体式换能器2，含电声转换的发射振子和声电转换的接收振子。根据设备类型不同可选择不同的频率，导航测深一般选择200KHz，助渔设备常用50KHz和200KHz。通常安装在船舶底部涡流较小的位置，必要时换能器外部安装导流罩减少水流对性能的影响，同时可保护换能器不受损伤。

收发处理单元内含发射和接收的各个单元，本实施例中，接收电路模块包括两个，即图1中的接收电路1和接收电路2，分别与两个超声波换能器相对应，同时发射驱动模块也有两个，即图1中的发射驱动1和发射驱动2，分别与两个超声波换能器相对应，每个发射驱动模块分别驱动与其相对应的超声波换能器发射信号，通过两个超声波换能器接收回波信号分别发送到两个接收电路模块，采用两路发射和接收，两路信号进行平均取值，增加数据的准确性和精度，提高系统的定位精确性，具体如下：

频率控制模块受第二中央处理器的控制，选择与换能器匹配的发射频率输出到发射控制模块。

功率控制模块受第二中央处理器的控制，根据设备的类型和测量的深度选择合适的发射功率，送发射控制模块处理。

发射控制模块根据频率控制模块和功率控制模块的输出信号，产生换能器发射需要的载波脉冲信号，送到第一发射驱动模块和第二发射驱动模块，信号受第一中央处理器的控制，脉冲同步受第一中央处理器的控制，频率控制决定载波频率，功率控制决定脉冲宽度和幅度，从而达到控制换能器发射功率的作用。

发射驱动模块将发射控制模块送来的脉冲信号经升压处理后产生大功率的输出信号，推动换能器发射超声波。本系统允许接入两组换能器，本实施例中的换能器为收发一体式换能器。

换能器单元中的压电振子将目标反射的回波信号转换为电信号，接收电路主要接收该信号后送入接收控制模块处理；换能器为超声波换能器，所述超声波换能器包含电声转换的发射振子和声电转换的接收振子。

接收控制模块将来自接收电路中的信号进行滤波、放大、整形和幅度控制，信号的幅度受增益控制模块的控制，经过接收控制模块处理的信号被送入混频模块，混频模块对信号进行频率变换，从而滤除干扰信号，以达到滤除噪声后获得最佳的有用信号。

本实施例中，混频模块接收到的信号频率为50KHz或200KHz，混频模块将该信号转换成455KHz的中频信号，该中频信号进入AD变换模块。

AD变换模块将混频后的455KHz的模拟信号转换为数字信号后送入第一中央处理器进行后续处理。

第一中央处理器用于控制发射控制模块的启动，根据AD变换模块输出的回波信号处理后计算出有用的回波信号，计算后根据回波信号的强弱，输出不同的信号电压提供给回波图形模块形成回波图象，同时将回波信号的深度数据送信息存储模块保存，同时将有用的数据与第二中央处理器共享。

第二中央处理器收到第一中央处理器的回波信号，并根据来自外部数据输入模块的数据，将计算后得到的数据通过外部端口控制模块发送出去，将计算后得到的底部或目标深度值发送到深度数值模块，将处理后形成的回波模式发送到回波图形模块，接收设备类型选择的命令控制，将控制结果发送到功率控制模块和频率控制模块中，从而调整发射驱动模块的发射的载波脉冲信号。

第一中央处理器收到AD变换模块发送的回波信号后，第一中央处理器将回波信号发送到回波图形模块，回波图形模块受第一中央处理器和第二中央处理器的控制，形成可视的视频信号送显示模块，根据设备的类型显示相应的视频模式，导航测深设备时，主要考虑的是去除水流中的杂波和干扰，显示航道底部的轮廓；助渔设备主要考虑捕捉水中可能的鱼群目标并显示，并可将水底的局部进行放大，使用户区分水底和贴近底部的鱼群目标。

显示输出控制模块接收来自深度数值模块、回波图形模块、信息存储模块、显示模式选择的指令，根据所得的信息和数据合成显示器需要的视频格式，送FPGA处理并通过DSRAM对视频数据进行缓存，FPGA将图形数据转换成显示模块需要的脉冲序列通过显示屏显示形成图形和文字。

信息存储模块受第一中央处理器、外部数据输入模块以及设备类型选择的控制，选项为导航测深设备时，根据规范要求需要记录航道测试数据，信息存储模块将来自第一中央处理器输出的深度数据、外部数据输入模块的数据（时间，位置等）记录保存。需要时将保存的数据输出到显示模块，实现历史记录的回放。

第二中央处理器用于控制数据输入输出、调节发射参数、形成用户需要的视频画面和深度数值。同时将有用的数据与第一中央处理器共享。

增益控制模块受用户设置的控制，可选择手动增益和自动增益，设置手动增益时，用户可以通过操作面板上的按键或旋钮改变增益的大小；设置自动增益时，由第一中央处理器对回波信号检测判断，并提供一个合适的增益值给接收控制模块。

深度数值模块受第二中央处理器的控制，根据设备的类型判断并显示相应的深度，导航测深设备时，主要是去除水流中的杂波和干扰，显示航道底部的深度；助渔设备主要考虑捕捉水中可能的鱼群目标，并显示其深度。显示模式选择：受用户设置的控制，用以选择显示的方式（单通道显示、双通道左右显示，以通道上下显示）。

设备类型选择：受用户设置的控制，用以选择设备类型（导航测深设备、助渔设备），选择结果送第二中央处理器和信息存储模块。

外部数据输入模块处理外部设备输入的数据送入第二中央处理器，所述输入输出模块包括外部数据输入模块和外部端口控制模块，外部数据输入模块包括GPS定位模块和温度采集模块，所述GPS定位模块、温度采集模块分别将获得的位置信息和温度数据通过外部数据输入模块发送到第二中央处理器。外部端口控制模块处理来自第二中央处理器的数据，发送命令到外部设备，如复显仪，VDR（航行数据记录仪），打印机、声光报警设备等。

用户设备模块实现用户设定，按键操作等，如选择屏幕显示的方式（单路显示、双路显示）、设备类型（导航测深、助渔设备）等。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能超声波测量系统，其特征在于：包括换能器单元、收发处理单元、中心处理单元、用户设置单元、输入输出单元、显示单元； 

其中，中心处理单元分别与收发处理单元、输入输出单元、用户设置单元、显示单元相连；

收发处理单元与换能器单元相连；

收发处理单元包括发射控制模块、发射驱动模块、接收电路模块、接收控制模块、混频模块、AD变换模块；

中心处理单元包括第一中央处理器、第二中央处理器、功率控制模块、频率控制模块、增益控制模块、信息存储模块、回波图形模块；

输入输出单元包括外部数据输入模块和外部端口控制单元；

所述第一中央处理器分别连接第二中央处理器、发射控制模块、AD变换模块、增益控制模块、信息存储模块、回波图形模块；

所述第二中央处理器分别连接功率控制模块、频率控制模块、外部数据输入模块、外部端口控制模块、回波图形模块、显示单元；

所述功率控制模块连接发射控制模块；

所述频率控制模块分别连接发射控制模块、混频模块；所述发射控制模块连接发射驱动模块；

所述AD变换模块、混频模块、接收控制模块、接收电路模块、换能器依次相连；

所述增益控制模块分别连接接收控制模块、用户设置单元；

所述信息存储模块分别连接外部数据输入模块和显示输出控制模块；

所述显示输出控制模块连接显示主控模块，显示主控模块分别连接存储器和显示屏；

第一中央处理器控制发射控制模块，第二中央处理器控制功率控制模块和频率控制模块作用于发射控制模块，从而控制发射控制模块产生的载波脉冲信号的载波频率、脉冲的宽度和幅度，发射控制模块将产生的载波脉冲信号，发送到发射驱动模块，发射驱动模块将在载波脉冲信号经过升压处理后产生大功率的输出信号，推动换能器发射超声波；

换能器将目标反射的回波转换为电信号发送到接收电路模块，接收电路模块将接收的电信号进行滤波、放大、整形和幅度控制后，送入混频模块，混频模块将接收的信号转换为中频信号，然后送入AD变换模块，AD变换模块将收到的中频信号转换为数字信号后送入第一中央处理器；

第一中央处理器将接收的回波信号处理并计算出回波信号的有效值，并根据回波信号的强弱，输出不同的信号电压提供给回波图形模块形成回波图像，同时将回波的深度数据发送到信息存储模块进行保存。

2.如权利要求1所述的一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述换能器单元包括两个换能器。

3.如权利要求2所述的一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述换能器为超声波换能器，所述超声波换能器包含电声转换的发射振子和声电转换的接收振子。

4.如权利要求1所述一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述混频模块接收到的信号频率为50KHz或200KHz，所述混频模块将接收到的频率为50KHz或200KHz的信号转换为455KHz的中频信号。

5.如权利要求4所述一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述输入输出单元包括GPS定位模块和温度采集模块，所述GPS定位模块、温度采集模块分别将获得的位置信息和温度数据通过外部数据输入模块发送到第二中央处理器。

6.如权利要求1所述一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述显示单元包括显示输出控制模块、显示主控模块、存储器、显示屏；所述显示输出控制模块接收来自深度数值模块、回波图形模块、信息存储模块、显示模式选择模块的指令，根据所得的信息和数据合成显示器需要的视频格式，发送到显示主控模块处理并通过存储器对视频数据进行缓存，显示主控模块将图形数据转换成显示屏所需要的脉冲序列，并通过显示屏显示形成图形和文字。

7.如权利要求6所述一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述显示主控模块采用FPGA。

8.如权利要求6所述一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述存储器采用DSRAM。

9.如权利要求1所述一种多功能超声波测量系统，其特征在于：所述外部端口控制模块设有与复显仪、VDR、打印机和声光报警设备分别相连的输出端口。