CN105515681B - 超声波通信方法及其通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波通信方法，包括以下步骤：步骤1，设定多个输入命令与原始猝发波信号的周期数相对应，并且设定用于控制被控对象的功能指令与周期数相对应；步骤2，对原始猝发波信号进行放大形成猝发波信号，猝发波信号激励超声波发射换能器，然后超声波发射换能器将加载了猝发波信号的超声波信号发出，并且该超声波信号被超声波接收换能器接收；步骤3，将接收到的超声波信号转化为数字信号；步骤4，将数字信号进行放大后，然后对放大后的数字信号进行解码和计算，然后得到数字信号中猝发波信号的周期数；以及步骤5，根据周期数对应的功能指令，从而对应进行控制被控对象。

Description

超声波通信方法及其通信装置

技术领域

本发明涉及超声波通信技术，具体涉及一种超声波通信方法及其通信装置。

背景技术

通信系统是对机电、电器产品等实施控制的重要组成部分。随着科学技术的发展，特别是电子通信技术的发展，以及人们对控制要求的提高，系统的控制发生了日新月异的变化，经历了从有线到无线，从人工到智能的跨越式发展。尤其是在一些可能对人类的健康安全造成危害的工作场所，机电产品的无线控制，已相当普遍的被使用，同时随着电器的发展，人们对近距离的电器的现场遥控以及无线通信的技术指标要求越来越高，这大大加速了无线控制系统的发展。

目前，无线通信技术主要包括超声波通信、红外通信技术、蓝牙(Bluetooth)通信技术、Wi-Fi通信技术以及其它无线射频通信技术等。其中，超声波通信方式是实现系统控制无线控制的重要手段，并且超声波通信已经得到了广泛的利用，特别是在工业生产控制、实时检测和实时报警等领域。典型的超声波通信过程通过按动相应开关的按钮，启动编码电路产生带有地址编码信息和系统状态信息的编码脉冲信号，再通过超声波发射电路将该信号发射出去。接收电路将接收到的脉冲编码信号通过解码电路进行编码地址确认是否为本系统的地址，如果是，则解码电路产生相应的输出信号控制系统受控工作；如果不是，系统保持原状态不变。这种常规的超声波控制方式可以很好的进行非接触式的点对点通信和控制，但是由于没有直接利用超声波本身的波形信息，所以编码电路和解码电路往往较为复杂。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够直接利用猝发波的波形的周期数特征来完成控制的超声波通信方法及其通信装置。

本发明提供了一种超声波通信方法，利用原始猝发波将输入命令进行传输，来对被控对象进行控制，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设定多个输入命令与原始猝发波信号的周期数相对应，并且设定用于控制被控对象的功能指令与周期数相对应；步骤2，对原始猝发波信号进行放大形成猝发波信号，猝发波信号激励超声波发射换能器，然后超声波发射换能器将加载了猝发波信号的超声波信号发出，并且该超声波信号被超声波接收换能器接收；步骤3，将接收到的超声波信号转化为数字信号；步骤4，将数字信号进行放大后，然后对放大后的数字信号进行解码和计算，然后得到数字信号中猝发波信号的周期数；以及步骤5，根据周期数对应的功能指令，从而对应进行控制被控对象。

在本发明提供的超声波通信方法及其通信装置中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤3中，还包含采用基于Kaiser窗函数的FIR滤波器对数字信号进行滤波。

在本发明提供的超声波通信方法及其通信装置中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中的解码包含以下步骤：通过设定用于判断出猝发波信号的波形起始点A和波形终止点B的阈值，则猝发波信号的波形的长度L可以按如下公式：L＝LB-LA，式中，LA、LB分别为A、B两点处在时域信号上所记录的点数，

波形的长度L的时间长度T：T＝L*1/N，式中，N为采样率，

接收猝发波信号的时域信号的单个周期的时间长度为1/f，f是超声波接收换能器的工作频率，

周期数的计算公式：

本发明还提供一种超声波通信装置，用于根据输入命令来控制被控对象，其特征在于，包括：发射部，用于将输入命令进行发送，包含：用于输入输入命令的按键面板、根据输入命令对应发出不同周期数的原始猝发波信号的发出单元、用于建立输入命令与原始猝发波信号的对应关系的编码单元、对原始猝发波信号进行放大得到猝发波信号的前置放大器以及发出加载了猝发波信号的超声波信号的超声波发射换能器；以及接收部，包含：用于接收超声波信号的超声波接收换能器、对超声波信号进行放大的后置放大器、对放大后的超声波信号进行模数转换得到数字信号的转换单元、对数字信号进行解码求得猝发波信号的周期数的解码单元、以及根据周期数对应的功能指令来进行对被控对象进行控制的控制器。

在本发明提供的超声波通信装置中，还可以具有这样的特征：其中，超声波发射换能器采用低频超声波发射换能器，超声波接收换能器采用低频超声波接收换能器，低频超声波发射换能器和低频超声波接收换能器的工作频率都为40KHz。

在本发明提供的超声波通信装置中，还可以具有这样的特征：其中，接收部还包含：用于对数字信号进行过滤的过滤器，解码单元对过滤后的数字信号进行解码。

在本发明提供的超声波通信装置中，还可以具有这样的特征：其中，过滤器采用基于Kaiser窗函数的FIR滤波器。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的超声波通信方法及其通信装置，通过建立输入命令与原始猝发波信号的周期数的对应关系，并且建立功能指令与周期数的对应关系，利用猝发波的波形的周期数特征来进行控制信号的传输，通过超声波发射换能器发出加载了猝发波信号的超声波信号，以及通过超声波接收换能器接收超声波信号，最后，通过对超声波信号转换成的数字信号进行解码，得到猝发波信号的周期数，控制器根据周期数对应发出功能指令进行相应控制，所以，本发明的超声波通信方法及其通信装置能够在保证信息传递稳定性的基础上能够降低通信电路的复杂度，避免了信号控制线布线复杂的问题。

附图说明

图1是本发明的实施例中超声波通信装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中输出单元的框图；

图3是本发明的实施例中解码系统的工作原理图；以及

图4是本发明的实施例中滤波器对数字信号的幅频响应曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的超声波通信方法及其通信装置作具体阐述。

图1是本发明的实施例中超声波通信装置的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，超声波通信装置1000能够根据输入命令控制被控对象完成相应的指令，通过利用超声猝发波的周期数来完成大量的指令控制任务，超声波通信装置1000包括：发射部100和接收部200。

发射部100是非接触式遥控发射装置，用于将输入命令进行发送给接收部200。发射部100包含：包含：按键面板110、输出单元120、前置放大器130、超声波发射换能器140。

按键面板110用于输入输入命令，按键面板110中设置了n个指令按钮，分别为SW1、SW2，…，SWn，每一条功能指令与输出单元120相连。

图2是本发明的实施例中输出单元的框图。

如图2所示，输出单元120用于根据输入命令发出相对应周期数的原始猝发波信号。输出单元120包含：猝发周期数控制电路121、信号发生器122、发射模块123。

猝发周期数控制电路121与每个指令按钮连接，能够调节猝发波的周期数。当按下一个指令按钮时，猝发周期数控制电路121对信号发生器122传递控制信息。

信号发生器122根据控制信息对应产生不同周期数的原始猝发波信号，完成载波信号为40KHz的不同周期数的猝发比信号的调制，然通过调制信号通过驱动电路，控制发射模块123。

发射模块123将原始猝发波进行发射。

前置放大器130对原始猝发波信号进行放大得到猝发波信号。

超声波发射换能器140被猝发波信号激励后，发出加载了猝发波信号的超声波信号。

接收部200包含：超声波接收换能器210、后置放大器230、解码系统220和控制器240。

超声波接收换能器210用于接收超声波发射换能器140发出的超声波信号，在本实施例中，超声波接收换能器210被固定在非接触式遥控被控对象内某目标位置上。

另外，超声发射换能器140和超声波接收换能器210是收发系统的重要部件，为了完成对日常生活中的非接触式遥控被控对象的控制任务，选择合适的空气超声换能器，对指令通讯和被控对象的控制十分关键。考虑到超声波换能器在空气中传播的性能指标主要包括最大传播距离、工作频率、声场指向性和抗干扰能力。换能器的工作频率是影响该频率超声波传播距离的重要因素，理论上超声波在空气中的衰减会随着换能器工作频率的增加而增大。所以本实施例中选用的低频超声发射换能器140和低频超声接收换能器210的工作频率均为40KHz。此外，发射换能器140和接收换能器210使用的压电陶瓷晶片150的发射/接收面，呈凸形的半球面。发射换能器140的发射声场的形状是以压电陶瓷的球心为球心的空间立体半球形。主要作用是，声场可达到压电陶瓷晶片150凸面一侧的任何方向，保证了使用非接触式遥控发射装置100时的灵活性。根据互易原理，超声接收换能器210的工作过程与超声发射换能器140刚好相反。理论上，接收换能器210接收到的入射声波170与xoy平面的夹角α和与yoz平面之间的夹角β的变化范围都是(-90°,90°)。

在本实施例中，后置放大器230对超声波信号进行放大，之后送入解码系统220。

图3是本发明的实施例中解码系统的工作原理图。

如图3所示，解码系统220包含：转换单元221、解码单元222和滤波器223。

转换单元221对放大后的超声波信号进行模数转换得到数字信号。在本实施例中，转换单元221采用A/D模数转换电路。

滤波器223用于对数字信号进行过滤。

解码单元222对数字信号进行解码求得猝发波信号的周期数。

控制器240根据周期数对应的功能指令来对被控对象进行控制。

在本实施例中，设定实现三个功能：输出‘a’、等待和输出‘b’，它们分别与输入的3个指令，SW1、SW2和SW3一一对应，发射模块123将猝发周期数分别设成5、1和10，并产生如表1中所示的原始猝发波时域信号：

表1

本发明实施例的过程，具体包括如下步骤：

步骤1：按键面板110中设置了n个指令按钮，分别为SW1、SW2，…，SWn，每一条功能指令与编码系统120相连，并通过编码系统完成上述指令的编码。编码系统120的主要作用是建立输入指令与原始猝发波信号周期数的对应关系，其工作原理如图2所示，按键面板110中的每个指令按钮直接可以调节猝发周期数的控制电路，猝发周期数控制电路对系统内置的小型信号发生器传递控制信息，使得发生器完成载波信号为40KHz的不同周期数的猝发波信号的调制，调制信号通过驱动电路对信号发生器的发射模块进行控制来实现开关。如图3所示是分别实现三个功能：输出‘a’、等待和输出‘b’，它们分别与输入的3个指令，SW1、SW2和SW3一一对应。通过按钮输入这三个指令，编码系统将猝发周期数分别设成5、1和10，并产生如图3所示的原始猝发波时域信号。

步骤2：将上述编码后对应的一系列原始猝发波时域信号通过前置放大器130放大之后激励超声波发射换能器140，加载这些信息的超声波信号将会被固定在非接触式遥控被控对象200内某目标位置的超声波接收换能器210接收到。

步骤3：将上述接收信号经后置放大器230放大之后送入解码系统220。通过解码系统220，可以得到的一系列不同周期数的猝发波数字信号，并同时计算出猝发波的周期数。接收后的放大信号通过采集卡的A/D模数转换电路处理，把接收到的模拟信号转化成数字信号，完成信号采集。对采集到的数字信号进行滤波，并送入解码电路。解码电路需要根据设计的算法求解接收到的猝发波时域信号的周期数。以如图3所示为例，对SW1指令发射得到的猝发波时域信号所含的周期数进行求解。通过通过设定一个阈值判断，可以得到波形起始点A和波形终止点B，波形的长度L(单位：个)，可以按如下公式给出：

L＝LB-LA

其中，LA、LB分别为A、B两点处在时域信号上所记录的点数(单位：个)。

将所得的猝发波波形的长度L用时间长度T(单位：s)来刻画，可以按下式给出：

T＝L*1/N

其中，N为采样率(单位：个/s)。

如图3所示，接收到的猝发波时域信号的单个周期时间长度为1/f，其中f是换能器的工作频率(单位：Hz)，所以对周期数的解码公式可以按如下方法计算：

步骤3中，采用的滤波器是基于Kaiser窗函数的FIR滤波器，它是一个选频装置。考虑到理想滤波器应能无失真地传输有用信号，而又能完全抑制无用的信号。有用信号和无用信号往往占有不同的频带，信号能通过滤波器的频带称为通带，信号被抑制的频带称为阻带。图4给出了FIR滤波器对实际测试中的信号的幅频响应曲线，可以看到在25KHz到35KHz的频率范围内，看不到频率曲线任何下降，而在两段之外，频率曲线下降迅速，阻带衰减明显大于30dB；而在通带频率内，相位频率为一条直线，表明该滤波器为线性相位。稳定和线性相位是FIR数字滤波器最突出的优点。

步骤4：建立控制器240的功能指令与计算所得周期数之间的关系。最后，由控制器240完成对非接触式遥控被控对象200的控制任务。

在实际运用中，为了提高超声波在空气中的传播距离，超声波发射换能器140与非接触式遥控发射装置100之间以及超声波接收换能器210与非接触式遥控被控对象200之间都布置了一层黏性耦合材料160，其作用是有效减少匹配阻抗，保证信号的有效传播。此外，还可以利用的有效途径是通过增强信号强度来实现。在本发明中采用的方法主要包括两种手段，一是采用前置放大器130。考虑到换能器本身能承受的极限功率，前置放大器130的放大倍数应使放大后的功率略小于发射换能器140能承受的极限功率且需设为定值；二是采用后置放大器230。通过标定实验，可标定出遥控距离与得到最佳接收信号幅值时后置放大器230放大倍数之间的关系，据此可以根据实际距离的变化来调节后置放大器230的放大倍数。通过上述的放大装置，遥控传播距离8m以内都会有较好的通信效果。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的超声波通信方法及其通信装置，通过建立输入命令与原始猝发波信号的周期数的对应关系，并且建立功能指令与周期数的对应关系，利用猝发波的波形的周期数特征来进行控制信号的传输，通过超声波发射换能器发出加载了猝发波信号的超声波信号，以及通过超声波接收换能器接收超声波信号，最后，通过对超声波信号转换成的数字信号进行解码，得到猝发波信号的周期数，控制器根据周期数对应发出功能指令进行相应控制，所以，本实施例的超声波通信方法及其通信装置能够在保证信息传递稳定性的基础上能够降低通信电路的复杂度，避免了信号控制线布线复杂的问题。

在本实施例中，由于采用过滤器对数字信号进行过滤，使得通带频率内，相位频率为一条直线，使得检查结果更具稳定性和线性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超声波通信方法，利用原始猝发波将输入命令进行传输，来对被控对象进行控制，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定多个所述输入命令与所述原始猝发波信号的周期数相对应，并且设定用于控制所述被控对象的功能指令与所述周期数相对应；

步骤2，对所述原始猝发波信号进行放大形成猝发波信号，所述猝发波信号激励超声波发射换能器，然后所述超声波发射换能器将加载了所述猝发波信号的超声波信号发出，并且该超声波信号被超声波接收换能器接收；

步骤3，将接收到的所述超声波信号转化为数字信号；

步骤4，将所述数字信号进行放大后，然后对放大后的所述数字信号进行解码和计算，然后得到所述数字信号中所述猝发波信号的所述周期数；以及

步骤5，根据所述周期数对应的所述功能指令，从而对应进行控制所述被控对象。

2.根据权利要求1所述的超声波通信方法，其特征在于：

其中，在所述步骤3中，还包含采用基于Kaiser窗函数的FIR滤波器对所述数字信号进行滤波。

3.根据权利要求1所述的超声波通信方法，其特征在于：

其中，所述步骤4中的解码包含以下步骤：通过设定用于判断出所述猝发波信号的波形起始点A和波形终止点B的阈值，则所述猝发波信号的波形的长度L可以按如下公式：L＝LB-LA，式中，LA、LB分别为A、B两点处在时域信号上所记录的点数，

所述波形的长度L的时间长度T的计算公式：

T＝L*1/N，式中，N为采样率，

接收所述猝发波信号的时域信号的单个周期的时间长度为1/f，f是所述超声波接收换能器的工作频率，

所述周期数的计算公式：

<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mo>*</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mo>*</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

4.一种使用权利要求1至3中任意一项所述的超声波通信方法的超声波通信装置，用于根据输入命令来控制被控对象，其特征在于，包括：

发射部，用于将所述输入命令进行发送，包含：用于输入所述输入命令的按键面板、根据所述输入命令发出相对应周期数的原始猝发波信号的输出单元、对所述原始猝发波信号进行放大得到所述猝发波信号的前置放大器、以及发出加载了所述猝发波信号的超声波信号的超声波发射换能器；以及

接收部，包含：用于接收所述超声波信号的超声波接收换能器、对所述超声波信号进行放大的后置放大器、对放大后的所述超声波信号进行模数转换得到所述数字信号的转换单元、对所述数字信号进行解码求得所述猝发波信号的所述周期数的解码单元、以及根据所述周期数对应的功能指令来进行对所述被控对象进行控制的控制器。

5.根据权利要求4所述的超声波通信装置，其特征在于：

其中，所述超声波发射换能器采用低频超声波发射换能器，

所述超声波接收换能器采用低频超声波接收换能器，

所述低频超声波发射换能器和所述低频超声波接收换能器的工作频率都为40KHz。

6.根据权利要求4所述的超声波通信装置，其特征在于：

其中，所述接收部还包含：用于对所述数字信号进行过滤的过滤器，

所述解码单元对过滤后的所述数字信号进行解码。

7.根据权利要求6所述的超声波通信装置，其特征在于：

其中，所述过滤器采用基于Kaiser窗函数的FIR滤波器。