CN104807894A - 一种伪随机编码超声波驱动系统及方法 - Google Patents

一种伪随机编码超声波驱动系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种伪随机编码超声波驱动系统及方法，包括FPGA芯片、人机交互模块、伪随机脉冲电压转换器、超声波发射驱动模块、DC-DC高压可调电源和电源模块；所述FPGA芯片连接所述人机交互模块、伪随机脉冲电压转换器和DC-DC高压可调电源，所述伪随机脉冲电压转换器通过所述超声波发射驱动模块连接超声波换能器，所述电源模块连接FPGA芯片、伪随机脉冲电压转换器和DC-DC高压可调电源；所述DC-DC高压可调电源连接所述超声波发射驱动模块。本发明实现了频率可调、码长可选和输出脉冲电压可调的超声波，频率精度高、体积小便携性好、连续工作时间长，操作方便。

Description

一种伪随机编码超声波驱动系统及方法
技术领域
本发明属于超声波检测技术领域，具体涉及一种伪随机编码超声波驱动系统及方法。
背景技术
超声无损检测技术因具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、速度快、对人体无害以及便于现场操作等特点，已成为现代产品质量检测与控制的重要方法和手段。
传统的单超声脉冲方法存在两个缺陷：①有效作用距离比较短。增加发射脉冲宽度减低频率可以提高发射功率，从而在一定程度上提高有效作用距离，但是宽发射脉冲又会降低测量分辨力。②窄脉冲高频信号可以获得较高的测量分辨力,但当待测距离较大时，窄脉冲的能量随着传播距离的增加会严重扩散，从而大大降低测量精度。因此，作用距离和测距分辨力是脉冲回波法测量中的一对矛盾。如何选择超声发射脉冲，使对回波信号处理后既能提高有效作用距离，又能提高测量精度，成为超声测量技术发展的一个重要方向。
伪随机序列良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，使其易于从信号或干扰中分离出来。伪随机序列的可确定性和可重复性，使其易于实现相关接收或匹配接收，因此有良好的抗干扰性能。伪随机序列的这些特性使得它在伪码测距、导航、遥控遥测、扩频通信、多址通信、分离多径、数据加扰、信号同步、误码测试、线性系统、各种噪声源等方面得到了广泛的应用。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种伪随机编码超声波驱动系统及方法，实现了频率可调、码长可选和输出脉冲电压可调的超声波。
本发明提供的一种伪随机编码超声波驱动系统，包括FPGA芯片、人机交互模块、伪随机脉冲电压转换器、超声波发射驱动模块、DC-DC高压可调电源和电源模块；
所述FPGA芯片连接所述人机交互模块、伪随机脉冲电压转换器和DC-DC高压可调电源，所述伪随机脉冲电压转换器通过所述超声波发射驱动模块连接超声波换能器，所述电源模块连接FPGA芯片、伪随机脉冲电压转换器和DC-DC高压可调电源；所述DC-DC高压可调电源连接所述超声波发射驱动模块；
所述FPGA芯片用于产生伪随机编码和对系统的控制；
所述人机交互模块包括键盘和LCD显示屏，用于对伪随机码频率、码长和DC-DC输出电压的设定和显示；
所述伪随机脉冲电压转换器用于对FPGA芯片产生的低压伪随机编码脉冲转化为高压脉冲，从而驱动所述超声波发射驱动模块；
所述超声波发射驱动模块用于输出高压伪随机编码脉冲，供给超声波换能器；
所述DC-DC高压可调电源用于接收FPGA芯片的输出电压调整指令，产生直流高压，供给所述超声波发射驱动模块；
所述电源模块用于为整个超声波驱动系统供电。
进一步的，所述伪随机脉冲电压转换器采用MOSFET驱动芯片。
进一步的，所述超声波发射驱动模块包括P型MOS管和N型MOS管，所述P型MOS管和N型MOS管连接成乙类工作状态，在伪随机编码的控制下交替工作。
进一步的，所述FPGA芯片包括SOPC System、伪随机编码转换模块和DC-DC电源控制模块，所述SOPC System包括Nios II处理器、Pseudo Random Code IP模块和PIO模块，所述Pseudo Random Code IP模块通过伪随机编码转换模块连接所述伪随机脉冲电压转换器，所述PIO模块通过所述DC-DC电源控制模块连接所述DC-DC高压可调电源。
进一步的，所述Pseudo Random Code IP模块可以根据Nios II处理器的指令产生不同频率和码长的二元伪随机编码。
进一步的，所述Pseudo Random Code IP模块包括频率生成器和伪随机序列生成器。
本发明还提供了一种伪随机编码超声波驱动方法，包括如下步骤：
通过人机交互模块对FPGA芯片设定伪随机编码参数；
所述FPGA芯片根据所述设定的伪随机编码参数计算伪随机编码的频率控制字和码长控制字；
所述FPGA芯片根据所述设定的伪随机编码参数计算DC-DC电源输出电压控制字；
Pseudo Random Code IP模块根据所述伪随机编码的频率控制字和码长控制字产生对应频率和码长的伪随机序列，发送给伪随机编码转换模块；
所述伪随机编码转换模块将所述Pseudo Random Code IP模块产生的伪随机序列转换成两路占空比为50％的低压编码脉冲，发送给伪随机脉冲电压转换器；
所述伪随机脉冲电压转换器将接收的所述伪随机编码转换模块的两路低压编码脉冲，转化为高压脉冲，用以驱动后端超声波发射驱动模块；
PIO模块输出电压调整指令给所述DC-DC电源控制模块；
所述DC-DC电源控制模块将所述电压调整指令发送给所述DC-DC高压可调电源；
所述DC-DC高压可调电源根据所述电压调整指令，产生直流高压，供给所述超声波发射驱动模块；
所述超声波发射驱动模块输出高压伪随机编码脉冲，供给超声波换能器。本发明的有益效果在于，本发明实现了频率可调、码长可选和输出脉冲电压可调的超声波，频率精度高、体积小便携性好、连续工作时间长，操作方便。
附图说明
图1所示为本发明伪随机编码超声波驱动系统总体结构示意图。
图2所示为本发明伪随机编码超声波驱动系统具体结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例详细描述本发明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
如图1所示，本发明提供的一种伪随机编码超声波驱动系统，包括FPGA芯片1、人机交互模块2、伪随机脉冲电压转换器3、超声波发射驱动模块4、DC-DC高压可调电源5和电源模块6；
FPGA芯片1连接人机交互模块2、伪随机脉冲电压转换器3和DC-DC高压可调电源5，伪随机脉冲电压转换器3通过超声波发射驱动模块4连接超声波换能器7，电源模块6连接FPGA芯片1和DC-DC高压可调电源5。
FPGA芯片1用于产生伪随机编码和对系统的控制，包括参数的输入、计算、传递和显示。
人机交互模块2包括键盘和LCD显示屏，用于对伪随机码频率、码长和DC-DC输出电压的设定和显示。
伪随机脉冲电压转换器3用于对FPGA芯片1产生的低压伪随机编码脉冲转化为高压脉冲，从而驱动超声波发射驱动模块4。
超声波发射驱动模块4用于输出高压伪随机编码脉冲，供给超声波换能器7。
DC-DC高压可调电源5用于接收FPGA芯片1的输出电压调整指令，产生直流高压，供给超声波发射驱动模块4。
电源模块6用于为整个超声波驱动系统供电，具体来说，该电源是由12V输出的大容量充电电池和电源管理电路组成，充分保证伪随机编码超声波驱动系统满足不同需求的电源供应。
伪随机脉冲电压转换器3采用MOSFET驱动芯片。
超声波发射驱动模块4包括P型MOS管和N型MOS管，P型MOS管和N型MOS管连接成乙类工作状态，在伪随机编码的控制下交替工作。
本发明中的FPGA芯片1采用具有片上可编程系统(以下简称SOPC,System-on-a-Programmable-Chip)的现场可编程逻辑门阵列(FPGA，Field Programming GateArray)，控制外部电路和实现数据处理，系统集成度高、功耗低。
如图2所示，FPGA芯片1包括SOPC System8、伪随机编码转换模块9和DC-DC电源控制模块10，SOPC System8包括Nios II处理器11、Pseudo Random Code IP模块12和PIO模块13，Pseudo Random Code IP模块12通过伪随机编码转换模块9连接伪随机脉冲电压转换器3，PIO模块13通过DC-DC电源控制模块10连接DC-DC高压可调电源5。
FPGA芯片1还包括Key IP、LCD IP、Epcs IP和Sdram IP。Key IP连接键盘，LCD IP连接LCD显示屏，Epcs IP和Sdram IP连接存储器。
其中SOPC System8中的Nios II处理器11是一种基于流水线的精简指令集通用微处理器，时钟频率可达150MHz。伪随机编码的可调最高频率为10MHz，伪随机编码由HDL硬件描述语言设计和可编程逻辑阵列实现，稳定可靠。
Pseudo Random Code IP模块12可以根据Nios II处理器11的指令产生不同频率和码长的二元伪随机编码。
Pseudo Random Code IP模块12是根据伪随机m序列的本原多项式，利用N级移位寄存器和乘加同余法产生不同长度的伪随机码。Pseudo Random Code IP模块12包括频率生成器和伪随机序列生成器。频率生成器主要是根据人机界面设定的频率，由FPGA芯片1根据系统的频率计算并分频后得到；伪随机序列生成器的工作原理为：本原多项式的最高阶次N决定移位寄存器的长度为N，产生的伪随机二元码的长度L＝2N-1；将移位寄存器中对应本原多项式中出现的阶次n(n<＝N)的所有单元进行累加求和再对2求余的结果作为移位寄存器的第一项，并将移位寄存器的值一次右移一位，an作为伪随机编码的输出。
本发明还提供了一种伪随机编码超声波驱动方法，包括如下步骤：
1、通过人机交互模块2对FPGA芯片1设定伪随机编码参数。
具体来说，设定伪随机编码的频率范围为：20KHz—10MHz，频率步进值为1KHz，伪随机编码的长度选择为2N-1，N是大于1小于10的自然数，伪随机编码超声驱动脉冲幅度为100V-450V可调，步进值为10V。
2、FPGA芯片1根据设定的伪随机编码参数计算伪随机编码的频率控制字和码长控制字。
3、FPGA芯片1根据设定的伪随机编码参数计算DC-DC电源输出电压控制字。
4、Pseudo Random Code IP模块12根据伪随机编码的频率控制字和码长控制字产生对应频率和码长的伪随机序列，发送给伪随机编码转换模块9。
5、伪随机编码转换模块9将Pseudo Random Code IP模块12产生的伪随机序列转换成两路占空比为50％的低压编码脉冲，发送给伪随机脉冲电压转换器3。
6、伪随机脉冲电压转换器3将接收的伪随机编码转换模块9的两路低压编码脉冲，转化为高压脉冲，用以驱动后端超声波发射驱动模块4。
具体地，是将接收的伪随机编码转换模块9的两路3.3V低压编码脉冲，转化为12V的高压脉冲。
7、PIO模块13输出电压调整指令给DC-DC电源控制模块10。
8、DC-DC电源控制模块10将电压调整指令发送给DC-DC高压可调电源5。
9、DC-DC高压可调电源5根据电压调整指令，产生直流高压，供给超声波发射驱动模块4。
10、超声波发射驱动模块4输出高压伪随机编码脉冲，供给超声波换能器7。
本发明具有以下优点：
(1)由于参数设定灵活，可以驱动产生不同频率、码长和幅度的超声波；
(2)参数设定的计算均由FPGA实现，频率精度高，产生的伪随机编码具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，使其易于从信号或干扰中分离出来，有利于信号的识别和处理；
(3)整个伪随机编码超声驱动系统集成度高、体积小、操作方便灵活，整个系统由锂电池供电，可连续工作8小时以上，移动性能好。
本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (7)

1.一种伪随机编码超声波驱动系统，其特征在于，包括FPGA芯片、人机交互模块、伪随机脉冲电压转换器、超声波发射驱动模块、DC-DC高压可调电源和电源模块；
所述FPGA芯片连接所述人机交互模块、伪随机脉冲电压转换器和DC-DC高压可调电源，所述伪随机脉冲电压转换器通过所述超声波发射驱动模块连接超声波换能器，所述电源模块连接FPGA芯片、伪随机脉冲电压转换器和DC-DC高压可调电源；所述DC-DC高压可调电源连接所述超声波发射驱动模块；
所述FPGA芯片用于产生伪随机编码和对系统的控制；
所述人机交互模块由键盘和LCD显示屏组成，用于对伪随机码频率、码长和DC-DC输出电压的设定和显示；
所述伪随机脉冲电压转换器用于对FPGA芯片产生的低压伪随机编码脉冲转化为高压脉冲，从而驱动所述超声波发射驱动模块；
所述超声波发射驱动模块用于输出高压伪随机编码脉冲，供给超声波换能器；
所述DC-DC高压可调电源用于接收FPGA芯片的输出电压调整指令，产生直流高压，供给所述超声波发射驱动模块；
所述电源模块用于为整个超声波驱动系统供电。
2.如权利要求1所述的一种伪随机编码超声波驱动系统，其特征在于，所述伪随机脉冲电压转换器采用MOSFET驱动芯片。
3.如权利要求1所述的一种伪随机编码超声波驱动系统，其特征在于，所述超声波发射驱动模块包括P型MOS管和N型MOS管，所述P型MOS管和N型MOS管连接成乙类工作状态，在伪随机编码的控制下交替工作。
4.如权利要求1所述的一种伪随机编码超声波驱动系统，其特征在于，所述FPGA芯片包括SOPC System、伪随机编码转换模块和DC-DC电源控制模块，所述SOPC System包括Nios II处理器、Pseudo Random Code IP模块和PIO模块，所述Pseudo Random Code IP模块通过伪随机编码转换模块连接所述伪随机脉冲电压转换器，所述PIO模块通过所述DC-DC电源控制模块连接所述DC-DC高压可调电源。
5.如权利要求1所述的一种伪随机编码超声波驱动系统，其特征在于，所述PseudoRandom Code IP模块可以根据Nios II处理器的指令产生不同频率和码长的二元伪随机编码。
6.如权利要求1所述的一种伪随机编码超声波驱动系统，其特征在于，所述PseudoRandom Code IP模块包括频率生成器和伪随机序列生成器。
7.一种伪随机编码超声波驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过人机交互模块对FPGA芯片设定伪随机编码参数；
所述FPGA芯片根据所述设定的伪随机编码参数计算伪随机编码的频率控制字和码长控制字；
所述FPGA芯片根据所述设定的伪随机编码参数计算DC-DC电源输出电压控制字；
Pseudo Random Code IP模块根据所述伪随机编码的频率控制字和码长控制字产生对应频率和码长的伪随机序列，发送给伪随机编码转换模块；
所述伪随机编码转换模块将所述Pseudo Random Code IP模块产生的伪随机序列转换成两路占空比为50％的低压编码脉冲，发送给伪随机脉冲电压转换器；
所述伪随机脉冲电压转换器将接收的所述伪随机编码转换模块的两路低压编码脉冲，转化为高压脉冲，用以驱动后端超声波发射驱动模块；
PIO模块输出电压调整指令给所述DC-DC电源控制模块；
所述DC-DC电源控制模块将所述电压调整指令发送给所述DC-DC高压可调电源；
所述DC-DC高压可调电源根据所述电压调整指令，产生直流高压，供给所述超声波发射驱动模块；
所述超声波发射驱动模块输出高压伪随机编码脉冲，供给超声波换能器。
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