CN105413999B - 一种阵列式换能器超声波电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式换能器超声波电源装置，包括PC上位机、USB总线、16个信号发生及功放模块、相控信号总线及阵列式超声波换能器，PC上位机通过USB总线通信连接所述的16个信号发生及功放模块，信号发生及功放模块通过相控信号总线连接所述的阵列式超声波换能器。本发明通过阵列式换能器超声波电源驱动换能器阵列实现多频率超声波的声波聚焦、超声悬浮等功能，适用于科学研究场所和实验平台的搭建，采用模块化设计，机体及电路结构容易实现，具有较广的应用前景，弥补了目前利用换能器阵列实现多频率的超声聚焦方面应用研究的空白。

Description

一种阵列式换能器超声波电源装置

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种阵列式换能器超声波电源装置。

背景技术

超声波发生器通常称为超声波发生源、超声波发生器，其作用是把电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流信号。超声波电源的原理首先由信号发生器产生一个特定频率的信号，该信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，该特定频率就是换能器工作的频率。

目前，国内外超声波电源的研究大多数侧重于变频率、变功率、阻抗匹配、频率自动跟踪以及智能控制等单一换能器的研究，而应用于超声聚焦、超声悬浮和机械工程“内加工”领域研究的专用多频率超声波电源装置目前还未见公开，同时利用换能器阵列实现多频率的超声聚焦方面应用研究的超声波电源装置也未出现。

发明内容

基于上述现有技术，本发明提出一种阵列式换能器超声波电源装置，其通过控制换能器阵列实现多频率的超声聚焦、超声悬浮、机械工程“内加工”等领域的应用研究。

本发明弥补了现有超声波电源设备在实际专业领域应用中的不足，其所采用的技术方案如下：

阵列式换能器超声波电源装置，包括PC上位机、USB总线、信号发生及功放模块、相控信号总线、阵列式超声波换能器等，PC上位机通过USB总线与信号发生及功放模块相联，信号发生及功放模块通过相控信号总线与阵列式超声波换能器相联。

所述的阵列式换能器超声波电源装置，信号发生及功放模块包括STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路，STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路依次相连。

所述的阵列式换能器超声波电源装置，STM32F4控制系统包括STM32控制器、STM32匹配电路、LCD触摸显示屏、晶振电路、JTAG接口电路，STM32控制器采用基于Cortex-M4处理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器的第一接口连接FPGA模块，STM32控制器的第二接口连接STM32匹配电路，STM32控制器的第三接口连接LCD触摸显示屏，STM32控制器的第四接口连接晶振电路，STM32控制器的第五接口连接JTAG接口电路，STM32控制器通过USB总线接口电路连接USB总线，USB总线进而连接PC上位机，其中，USB总线接口电路与USB总线、USB总线与PC上位机之间均采取双向通信方式。

所述的阵列式换能器超声波电源装置，FPGA模块包括FPGA芯片、FPGA配置电路、JTAG接口电路，FPGA芯片的第一接口与FPGA配置电路相连，FPGA芯片的第二接口与JTAG接口电路，FPGA芯片的第三接口与高速D/A转换模块相连。

所述的阵列式换能器超声波电源装置，四路功放及补偿电路包括驱动电路、电源、调压整流滤波模块、保护电路、预放大电路、可控增益放大电路、网络匹配电路，驱动电路与高速D/A转换模块相联，电源与高压整流滤波模块相联，高频模拟信号经过驱动电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，保护电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，可控增益放大电路与网线匹配电路相联，网络匹配电路联接阵列式超声波换能器。

所述的阵列式换能器超声波电源装置，阵列式超声波换能器通过采样电路与信号放大电路相联，信号放大电路与带通滤波电路相联，带通滤波电路与STM32控制器相联。

该装置正常工作时，换能器阵列的每个换能器转换对应固定频率的高频电信号，而每个换能器对应的高频电信号频率又不尽相同，从而实现超声波电源换能器阵列的多频率工作。该装置的硬件电路如：信号产生模块、功率放大模块、匹配电感切换控制模块、电路采样模块、保护电路模块和上位机的控制显示模块均可采用现有技术实现。STM32F4的程序编写可在软件Keil uVision5上完成，FPGA的程序编写可在软件Quartus II上完成，STM32F4和FPGA之间的通信采用基于RS232的串口通信方式完成。

所述电源装置的工作方式具体实现过程为：该装置正常工作时，STM32F4控制系统通过控制FPGA模块，每个FPGA模块可以产生四路不同高频信号，FPGA作为信号发生器通过运行程序产生要求频率的脉冲电信号，脉冲电信号通过高频逆变电路后变成和基波同频的脉冲电信号，同时STM32F4控制对应频率的匹配电感的切换、PC上位机、LCD触摸显示屏的工作，来实现工作频率的实时状态显示，STM32F4通过控制多路多频率脉冲电信号的相位与延时，使对应信号通过换能器阵列的对应换能器，从而实现阵列式换能器超声波电源的多频率超声聚焦和超声悬浮。

所述的电源装置还配置有电源操控面板，该电源操控面板设有电源开关按键、复位按键、工作指示灯、报警指示灯、LCD触摸显示屏等，电源正面操控面板的右侧自上到下依次是工作指示灯和电源开关按键；电源正面操控面板的左侧自上到下依次是报警指示灯和复位按键；电源正面操控面板的中间部分是4.7英寸的LCD电容型触摸显示屏，主要用于显示超声波电源工作时各个换能器对应电路的实时取样电压和电流值，实时显示各超声波换能器的工作频率值等数据，其中，各个换能器的工作实时数据可以通过点击LCD电容触摸屏实时的调出查看。

所述的PC上位机与STM32F4嵌入式系统之间的通信采用USB总线的通信方式实现，PC上位机主要用于实时显示从反馈系统采集过来的电源电路电压、电流和电路信号的波形与数据，实时显示换能器阵列中各个换能器的工作频率的波形与数据，便于我们实时监测电源电路以及换能器阵列的工作状态。同时PC上位机可外接键盘和鼠标。

所述的超声波电源电路主要由控制系统配置电路、电源开关电路、复位电路、晶振电路、接口电路、调压整流滤波电路、功率放大电路、驱动电路、保护电路、显示电路、滤波电路、信号放大电路及网络匹配电路等构成，控制系统配置电路包括STM32F4控制系统的匹配电路和FPGA的配置电路；电源开关电路和复位电路分别通过电源开关按键和复位按键与STM32F4控制系统相连接；晶振电路包括STM32F4控制器的晶振电路和FPGA的晶振电路，STM32F4的外部时钟通过晶振电路与对应的驱动芯片引脚连接，内部时钟在控制电路上电后自动运行；接口电路包括USB总线接口电路、JTAG接口电路、CAN接口电路、COM接口电路以及FPGA的VGA接口电路；调压整流滤波电路的输入端接220V交流市电，整流滤波电路输出端经耦合电容与Buck斩波电路相连，Buck斩波电路的MOS开关管的栅极与经驱动电路的高频脉冲电信号相连，Buck斩波开关电路的输出端经稳压滤波后与功率放大电路相连；功率放大电路主要包括预放大电路和可控增益放大电路；驱动电路的输入端与FPGA的高频脉冲控制信号输出端相连，Buck斩波开关电路MOS开关管的栅极和功率放大电路MOS开关管的栅极都与驱动电路的输出端相连；显示电路包括LCD触摸显示屏驱动电路和PC上位机驱动显示电路；功率放大电路中的高频脉冲控制信号经过网络匹配电路后传到阵列式超声换能器中对应的换能器中，换能器将电能转换为机械能，也就是将高频电信号转化为了高频超声波；STM32F4控制系统通过调整FPGA模块的工作频率、时间延迟、相位延迟来控制换能器阵列不同换能器作用信号的开关延迟时间和相位延迟时间，从而实现多频率的超声聚焦、超声悬浮。

所述的超声波换能器阵列主要由64个压电换能器组成，其排列方式可以是8*8的矩形阵列组成，也可以是圆球面形的排列方式，根据实验分析可知，采用圆球面形的排列方式对于实现多频率聚焦的效果更好。换能器阵列的每个换能器的驱动电路是相互独立的，每个换能器的谐振频率又不尽相同，但所有换能器的控制信号都是由STM32F4嵌入式系统发出的，所以换能器阵列的每个换能器既相互独立又相互协调，最终实现多频率超声波的声波聚于一块焦域。

本发明通过阵列式换能器超声波电源驱动换能器阵列实现多频率超声波的声波聚焦、超声悬浮等功能，适用于科学研究场所和实验平台的搭建，采用模块化设计，机体及电路结构容易实现，具有较广的应用前景，弥补了目前利用换能器阵列实现多频率的超声聚焦方面应用研究的空白。

附图说明

图1为本发明一种优选实施例的总体结构方框示意图。

图2为本发明的信号发生及功放模块的方框示意图。

图3为本发明超声波换能器相控阵列的正面结构示意图。

图4为本发明超声波换能器相控阵列的侧面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例阵列式换能器超声波电源装置，包括PC上位机1及与其相连的USB总线2；其中：USB总线2通信连接有数个信号发生及功放模块3，信号发生及功放模块3通过相控信号总线4连接阵列式超声波换能器5。本实施例，信号发生及功放模块3由16个功能相同的信号发生及功放模块31组成，每一信号发生及功放模块31主要由STM32F4控制系统6、FPGA模块7、高速D/A转换模块8、四路功放及补偿电路9组成，STM32F4控制系统6、FPGA模块7、高速D/A转换模块8、四路功放及补偿电路9依次相连。信号发生及功放模块3有16个输入通道，64个输出通道，其中，每1个输入通道和每4输出通道对应有一个信号发生及功放模块31；16个信号发生及功放模块31中均集成了功能相同的高速D/A转换模块8和四路功放及补偿电路9。在信号发生及功放模块31中，STM32F4控制系统6通过输入通道输送控制信号至FPGA模块7，FPGA模块7通过运行程序产生四路不同固定频率的数字信号，数字信号相继通过高速D/A转换模块8和四路功放及补偿电路9实现信号的数模转换和功率放大，功率放大后的模拟高频电信号通过相控信号总线4至阵列式超声波换能器5中的四个换能器实现电信号到超声信号的转换。阵列式超声波换能器5能实现超声波的发生，控制系统通过相控信号总线4控制换能器阵列中64个换能器的激励脉冲的时间延迟、相位延迟以及开关，实现多频率、多频段超声波的灵活聚焦和相位偏转，选用合适的换能器组合也能实现聚焦斑点的自由运动。

图2所示是图1对应的一个信号发生及功放模块的方框示意图。STM32F4控制系统6包括STM32控制器61、STM32匹配电路62、LCD触摸显示屏63、晶振电路64、JTAG接口电路65；STM32控制器61采用基于Cortex-M4处理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器61的第一接口连接FPGA模块7，产生一个中断信号至FPGA模块7，FPGA运行程序产生固定频率的数字信号，同时生成反馈信号至STM32控制器61，通知其提取反馈结果；STM32控制器61的第二接口连接STM32匹配电路62，匹配电路为STM32F4控制系统6正常工作必备电路；STM32控制器61的第三接口连接LCD触摸显示屏63，触摸屏为4.7英寸电容型触摸显示屏，用于显示超声波电源正常工作时对应的四个换能器的实时取样电压、电流、工作频率等数据；STM32控制器61的第四接口连接晶振电路64，晶振电路64包括8MHz、12MHz、25MHz三种晶振，最高可提供168MHz的运行频率；STM32控制器61的第五接口连接JTAG接口电路65，用于下载和调试STM32的程序；STM32控制器61通过USB总线接口电路21连接USB总线2，USB总线2进而连接PC上位机1，其中，USB总线接口电路21、USB总线2、PC上位机1之间均采取双向通信方式。

STM32F4控制系统6与FPGA模块7采用总线系统相连，实现双向控制通信；FPGA模块7主要由FPGA芯片71、FPGA配置电路72、JTAG接口电路73组成，FPGA芯片71的第一接口与FPGA配置电路72相连，FPGA配置电路72是FPGA芯片71正常工作的必备电路系统，其中包括FPGA的晶振电路和存储电路等；FPGA芯片71的第二接口与JTAG接口电路73，JTAG接口电路73用于下载和调试FPGA的程序；FPGA芯片71的第三接口与高速D/A转换模块8相连，高速D/A转换模块8主要作用是将FPGA产生的高频数字信号经过适当放大后转换为无失真的高频模拟信号，高速D/A转换模块8采用16位高精度DAC芯片。

四路功放及补偿电路9采用四通道分时复用的工作方式，四个通道可同时进行高频模拟信号的发射，亦可以分时段进行高频模拟信号的发射，然后高频信号经过相控信号总线4控制阵列式超声波换能器5中对应四个换能器的工作；四路功放及补偿电路9包括驱动电路91、电源92、调压整流滤波模块93、保护电路94、预放大电路95、可控增益放大电路96、网络匹配电路97，高频模拟信号经过驱动电路91同时驱动调压整流滤波模块93、预放大电路95、可控增益放大电路96等电路的正常工作，最终实现高频信号的电压转换、整流滤波和功率放大；保护电路94同时连接调压整流滤波模块93、预放大电路95、可控增益放大电路96，保护电路94主要用于电源电路系统的过压、过流、过热保护，用来保证电源电路系统能够安全高效的运行；经过功率放大的高频信号通过网络匹配电路97后连接阵列式超声波换能器5，网络匹配电路97主要作用是实现换能器的阻抗匹配，以保证电源系统功率最大效率的传输。

反馈电路系统是阵列式换能器超声波电源的基础组成部分，通过采样电路51、52采集负载阵列式超声波换能器5的电压和电流信号，采样信号经过信号放大电路98、带通滤波电路99、电流和相位检测电路后送到STM32控制器61，STM32控制器61根据相位检测的有效值进入一个中断程序驱动FPGA模块7微调信号发生频率，以实现频率的自动跟踪；STM32控制器61根据电流和相位检测电路检测的电流有效值进入自带的模数转换器进行处理，以保证换能器阵列输出超声波的振幅恒定控制；其中，电流和相位检测电路集成在STM32F4控制系统6上。

图3和图4为本发明超声波换能器相控阵列的正面和侧面结构示意图。本发明的超声波换能器相控阵列是由64个压电型换能器组成的，采用圆球面形的排列方式，共计5层，自内向外排列每一层的换能器个数分别是1、5、10、16、32；超声波换能器相控阵列的三维空间侧面结构示意图如图4所示，每一层换能器之间有一定的间距(0—100mm)；每一层的每个换能器的谐振频率可能不尽相同，本发明超声波换能器相控阵列可以实现的不同频率数是64个，可以采用的频率范围是20KHz—1MHz，但只要采用多频率、多频段手段实现超声聚焦、超声悬浮、超声“内加工”的技术均在本发明的保护之列。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (3)

1.一种阵列式换能器超声波电源装置，其特征是包括PC上位机、USB总线、16个信号发生及功放模块、相控信号总线及阵列式超声波换能器，PC上位机通过USB总线通信连接所述的16个信号发生及功放模块，信号发生及功放模块通过相控信号总线连接所述的阵列式超声波换能器；信号发生及功放模块包括STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路，STM32F4控制系统、FPGA模块、高速D/A转换模块、四路功放及补偿电路依次相连；

FPGA模块包括FPGA芯片、FPGA配置电路、JTAG接口电路，FPGA芯片的第一接口与FPGA配置电路相连，FPGA芯片的第二接口与JTAG接口电路，FPGA芯片的第三接口与高速D/A转换模块相连；

四路功放及补偿电路包括驱动电路、电源、调压整流滤波模块、保护电路、预放大电路、可控增益放大电路、网络匹配电路，驱动电路与高速D/A转换模块相联，电源与高压整流滤波模块相联，高频模拟信号经过驱动电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，保护电路与调压整流滤波模块、预放大电路、可控增益放大电路都相联，可控增益放大电路与网线匹配电路相联，网络匹配电路联接阵列式超声波换能器。

2.如权利要求1所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是：STM32F4控制系统包括STM32控制器、STM32匹配电路、LCD触摸显示屏、晶振电路、JTAG接口电路，STM32控制器采用基于Cortex-M4处理器的芯片STM32F407ZGT6，STM32控制器的第一接口连接FPGA模块，STM32控制器的第二接口连接STM32匹配电路，STM32控制器的第三接口连接LCD触摸显示屏，STM32控制器的第四接口连接晶振电路，STM32控制器的第五接口连接JTAG接口电路，STM32控制器通过USB总线接口电路连接USB总线，USB总线进而连接PC上位机，其中，USB总线接口电路与USB总线、USB总线与PC上位机之间均采取双向通信方式。

3.如权利要求2所述的阵列式换能器超声波电源装置，其特征是：阵列式超声波换能器通过采样电路与信号放大电路相联，信号放大电路与带通滤波电路相联，带通滤波电路与STM32控制器相联。