CN108287507A - 一种超声波发生器控制板卡 - Google Patents

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周宏建
邓卫平
石新华
段忠福
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    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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Abstract

本发明公开了一种超声波发生器控制板卡，包括控制电路板，控制电路板上设有控制芯片、AD转换模块、信号调理模块、电源模块、PWM控制模块、输入输出信号接口模块和输入输出缓冲模块，信号调理模块通过AD转换模块连接控制芯片，控制芯片分别连接PWM控制模块和输入输出信号接口模块，电源模块分别连接AD转换模块和输入输出信号接口模块，PWM控制模块和输入输出信号接口模块连接输入输出缓冲模块，本发明结构原理简单，只采用一颗单片机控制芯片加上简单的外围电路，即可实现超声波发生器的所有的核心采样、计算和控制功能，既降低了电路成本和复杂度，也降低了编程和调试的难度。

Description

一种超声波发生器控制板卡
技术领域
本发明涉及超声波控制技术领域，具体为一种超声波发生器控制板卡。
背景技术
超声波发生器控制板卡是超声波发生器的核心板卡，主要功能是采集超声波换能器的驱动电压、电流模拟信号，并快速计算电压电流的相位差，然后在15～70kHz的范围内实现小于1Hz分辨率的脉宽调制(PWM)频率调节和占空比调节，以控制其后端的桥式逆变电路。受限于模数转换(ADC)的通道数量、采样速度，以及PWM的频率调节分辨率和占空比调节分辨率，目前市场上的超声波发生器控制板卡主要采用单片机、FPGA芯片混合使用的设计方案,该方案使用了单片机的内置ADC或外围ADC采样电路实现采样和计算，使用FPGA芯片实现PWM频率和占空比调节。单片机、FPGA芯片混合使用的设计方案在设计过程中存在芯片成本高、电路设计复杂、单片机和FPGA芯片单独编程、调试难度较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波发生器控制板卡，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超声波发生器控制板卡，包括控制电路板，所述控制电路板上设有控制芯片、AD转换模块、信号调理模块、电源模块、PWM控制模块、输入输出信号接口模块和输入输出缓冲模块，所述信号调理模块通过AD转换模块连接控制芯片，所述控制芯片分别连接PWM控制模块和输入输出信号接口模块，所述电源模块分别连接AD转换模块和输入输出信号接口模块，所述PWM控制模块和输入输出信号接口模块连接输入输出缓冲模块，所述电源模块还连接3.3V供电电源，所述3.3V供电电源连接输入输出缓冲模块，还包括15V和5V供电电源，所述15V和5V供电电源分别连接信号调理模块和输入输出缓冲模块。
优选的，所述信号调理模块包括运算放大器A和运算放大器B，所述运算放大器A正极输入端分别连接电阻B一端和电容B一端，电容B另一端接地；所述电阻B另一端连接电阻A一端，电阻A另一端连接信号输入端，所述运算放大器A负极输入端分别连接电容A一端和输出端，所述电容A另一端连接电阻A和电阻B之间的节点；所述运算放大器A输出端连接电阻C一端，所述电阻C另一端分别连接电阻D一端和运算放大器B正极输入端，所述电阻D另一端接地，所述运算放大器B负极输入端分别连接电阻E一端和电阻F一端，电阻E另一端接地，电阻F另一端连接运算放大器B输出端和信号输出端。
优选的，所述输入输出信号接口模块包括RS232接口电路、CAN总线接口电路、RS485电路。
优选的，所述控制芯片信号采用型号为TMS320F28069的单片机芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明结构原理简单，只采用一颗单片机控制芯片加上简单的外围电路，即可实现超声波发生器的所有的核心采样、计算和控制功能，既降低了电路成本和复杂度，也降低了编程和调试的难度。
(2)本发明采用的信号调理模块抗干扰能力强，实现对模拟信号的优化；能够缩短信号传输距离，降低故障率，提高了信号传输效率。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明信号调理模块原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超声波发生器控制板卡，包括控制电路板1，所述控制电路板1上设有控制芯片2、AD转换模块3、信号调理模块4、电源模块5、PWM控制模块6、输入输出信号接口模块7和输入输出缓冲模块8，所述信号调理模块4通过AD转换模块3连接控制芯片2，所述控制芯片2分别连接PWM控制模块6和输入输出信号接口模块7，所述电源模块5分别连接AD转换模块3和输入输出信号接口模块7，所述PWM控制模块6和输入输出信号接口模块7连接输入输出缓冲模块8，所述电源模块5还连接3.3V供电电源9，所述3.3V供电电源9连接输入输出缓冲模块8，还包括15V和5V供电电源10，所述15V和5V供电电源10分别连接信号调理模块4和输入输出缓冲模块8；控制芯片2信号采用型号为TMS320F28069的单片机芯片；输入输出信号接口模块7包括RS232接口电路、CAN总线接口电路、RS485电路。
超声波发生器控制板卡从发生器内部获取24V直流电，采用多级降压电路生成±15V直流电、5V直流电，和3.3V直流电。由于超声波换能器驱动信号是交流信号，所以需要采用由运放组成的信号调理电路实现比例和加法运算，电压和电流交流信号转换为0V到3.3V之间的可由TMS320F28069控制芯片ADC模块采集的信号。TMS320F28069控制芯片采用单一3.3V直流电供电，其内部的ADC模块具有16个模拟输入通道，最高采样速率达到3.46MSPS，可轻松应对超声波发生器中电压电流双通道信号采样。TMS320F28069控制芯片根据ADC结果以90MHz的主频计算电压电流相位差，和实际电压电流值，然后通过控制算法计算PWM频率和占空比，输出两路PWM信号控制超声波发生器内部的逆变电路实现对超声波换能器电压、电流大小和电压电流频率的控制。以生成50KHz的超声波信号为例，TMS320F28069控制芯片在90MHz主频下工作时，其PWM模块可以以最小0.44Hz的步长调节PWM输出信号的频率。TMS320F28069控制芯片的输入输出信号端口主要实现输入超声波启停信号、输出异常报警信号，和实现RS232、RS485等通信接口。输入输出缓冲模块采用5V供电，主要实现3.3V和5V数字电平之间的转换，以匹配TMS320F28069控制芯片的3.3V数字电平信号，同时对超声波发生器控制板卡外提供更大的驱动电流，以驱动光耦或继电器等元器件。
如图2所示，本发明中，信号调理模块4包括运算放大器A1c和运算放大器B2c，所述运算放大器A1c正极输入端分别连接电阻B2a一端和电容B2b一端，电容B2b另一端接地；所述电阻B2a另一端连接电阻A1a一端，电阻A1a另一端连接信号输入端，所述运算放大器A1c负极输入端分别连接电容A1b一端和输出端，所述电容A1b另一端连接电阻A1a和电阻B2a之间的节点；所述运算放大器A1c输出端连接电阻C3a一端，所述电阻C3a另一端分别连接电阻D4a一端和运算放大器B2c正极输入端，所述电阻D4a另一端接地，所述运算放大器B2c负极输入端分别连接电阻E5a一端和电阻F6a一端，电阻E5a另一端接地，电阻F6a另一端连接运算放大器B2c输出端和信号输出端。本发明采用的信号调理模块抗干扰能力强，实现对模拟信号的优化；能够缩短信号传输距离，降低故障率，提高了信号传输效率。
综上所述，本发明结构原理简单，只采用一颗单片机控制芯片加上简单的外围电路，即可实现超声波发生器的所有的核心采样、计算和控制功能，既降低了电路成本和复杂度，也降低了编程和调试的难度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种超声波发生器控制板卡，包括控制电路板(1)，其特征在于：所述控制电路板(1)上设有控制芯片(2)、AD转换模块(3)、信号调理模块(4)、电源模块(5)、PWM控制模块(6)、输入输出信号接口模块(7)和输入输出缓冲模块(8)，所述信号调理模块(4)通过AD转换模块(3)连接控制芯片(2)，所述控制芯片(2)分别连接PWM控制模块(6)和输入输出信号接口模块(7)，所述电源模块(5)分别连接AD转换模块(3)和输入输出信号接口模块(7)，所述PWM控制模块(6)和输入输出信号接口模块(7)连接输入输出缓冲模块(8)，所述电源模块(5)还连接3.3V供电电源(9)，所述3.3V供电电源(9)连接输入输出缓冲模块(8)，还包括15V和5V供电电源(10)，所述15V和5V供电电源(10)分别连接信号调理模块(4)和输入输出缓冲模块(8)。
2.根据权利要求1所述的一种超声波发生器控制板卡，其特征在于：所述信号调理模块(4)包括运算放大器A(1c)和运算放大器B(2c)，所述运算放大器A(1c)正极输入端分别连接电阻B(2a)一端和电容B(2b)一端，电容B(2b)另一端接地；所述电阻B(2a)另一端连接电阻A(1a)一端，电阻A(1a)另一端连接信号输入端，所述运算放大器A(1c)负极输入端分别连接电容A(1b)一端和输出端，所述电容A(1b)另一端连接电阻A(1a)和电阻B(2a)之间的节点；所述运算放大器A(1c)输出端连接电阻C(3a)一端，所述电阻C(3a)另一端分别连接电阻D(4a)一端和运算放大器B(2c)正极输入端，所述电阻D(4a)另一端接地，所述运算放大器B(2c)负极输入端分别连接电阻E(5a)一端和电阻F(6a)一端，电阻E(5a)另一端接地，电阻F(6a)另一端连接运算放大器B(2c)输出端和信号输出端。
3.根据权利要求1所述的一种超声波发生器控制板卡，其特征在于：所述输入输出信号接口模块(7)包括RS232接口电路、CAN总线接口电路、RS485电路。
4.根据权利要求1所述的一种超声波发生器控制板卡，其特征在于：所述控制芯片(2)信号采用型号为TMS320F28069的单片机芯片。
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