CN109040938A - 一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪及管理平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式声学换能器的电学性能测量与分析仪及数据管理平台，包括阻抗测量电路、电源管理电路、板载无线通信设备和微处理器MCU；本发明将声学换能器测量设备的体积缩小到长85mm×宽122mm×高28mm以下，形状大小接近于移动硬盘，设备小巧，便于携带；而且大大降低了阻抗分析设备的成本；设备可脱离市电供电而长时间独立工作，方便使用者随时随地进行数据测量；本发明结合硬件电路与智能设备或电脑，提出了整套数据本地和云端存储与管理方案，方便相关技术人员的数据测量及批量数据系统管理和分析，使得同城或异地远程管理与阅读测量数据成为可能；与智能手机（Android或IOS操作系统）或PC机电脑结合，解决不同平台的测量数据融合和交互问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业中声学换能应用技术领域，尤其涉及一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪及管理平台。
背景技术
目前关于声学换能器的电学性能检测设备大致分为两类。
第一类是采用带有LCD屏幕的通用阻抗分析台式设备，测量之后将电学性能的频响曲线绘制在LCD屏幕上，相关参数需要用户根据曲线中各个测量点数据进行读取并计算得出、大多数进口通用的阻抗分析设备都属于此类。
第二类是设计针对声学换能器的台式阻抗分析设备，采用通信接口，通过开发计算机接口程序使之与计算机相连接，也可以将通用的阻抗分析设备改装为专门用于超声压电换能器的设备，在计算机中进行阻抗谱线绘制与参数分析。此类设备实现了将测量数据及参数存储在PC机的硬盘中的功能，在国内得到了广泛应用。
第一类的缺陷：在利用这些通用设备进行声学换能器的阻抗曲线测量时，输入频段不方便，数据是孤立分布，难以进行数据管理。设备成本极高，体积大，搬运与携带不便。例如Kesight公司的E4990A设备属于此类。
第二类的缺陷：台式设备的体积大，不便随身携带，需要220v的市电供电。
两类均具有的缺陷：以上两类现有技术的设备，均存在数据存储的方式单一，数据保存比较零散，数据管理不便，不能进行分特征管理，而且无法进行远程测量和图片阅读。再加上设备成本高，体积大不便携带等缺陷，严重影响了设备在行业内的普及率。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种便携式声学换能器的电学性能测量与分析仪及数据管理平台，旨在大幅度缩小设备体积，使设备形状大小接近于移动硬盘，便于携带；结合智能设备和PC机电脑，提出了整套数据本地和云端存储与管理，方便技术人员的数据测量及批量数据系统管理和分析，可以同城或异地远程管理与阅读测量数据；与智能手机(Android或IOS操作系统)或PC机电脑结合，解决不同平台的测量数据融合和交互问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪，包括：
阻抗分析测量电路包括信号发生电路和信号调理与处理电路；信号发生电路由一颗DDS模块(直接频率合成模块)实现，信号调理与处理电路包括：低通有源滤波器、初级放大器、可变增益放大器、高速ADC (模数转换器)、分离傅里叶DFT运算模块；
电源管理电路包括运算放大器及模拟开关电路，运算放大器上有一引脚连接至提供的正弦激励信号有四个幅值可供选择的DDS模块上，运算放大器又一引脚配合模拟开关，从而组成可变增益放大器；
板载无线通信设备：用于接收来自客户端的测量指令、发送测量得到的阻抗数据给客户端；
微处理器MCU：其主要功能有，
a、从板载无线通讯设备中接收客户端的测量指令，并根据指令，首先打开测量模块的电源开关，选择合适频率的晶振，并向DDS模块中写入相关的测量控制参数及开始产生波形的指令；
b、对上述的DDS模块做频率控制使之产生所需频率的激励信号，并控制ADC模块进行AD采样，并将数据送入分离傅里叶DFT运算模块中进行计算，将计算结果中剔除系统误差后，进行数值分析；
c、根据上述计算结果，对上述的模拟开关进行控制，从而选择合适的信号通路，只有当信号通路选择正确时，才能准确测量换能器阻抗；
d、将最终得到的阻抗数据通过串口通信发送至板载无线设备；
e、其他功能，包括电源管理、充电电池防过充保护及电量读取功能。
该分析仪的体积最大为：长85mm×宽122mm×高28mm。
电源管理电路还包括单片机常备电源和精密电源，常备电源和精密电源均通过DC-DC升压器连接至锂电子电池，锂电子电池通过恒流电源连接充电管理设备。
一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪的管理平台及其数据管理平台，板载无线通信设备外连接客户端，该客户端包括界面部分、板载无线通信设备部分、本地数据库部分、云端存储部分和远程控制测量部分；
界面部分包括原生控件，频谱图像根据收到的数据点连线绘制而成，界面分为阻抗或导纳曲线绘制栏，各种参数分析结果展示栏，项目编号格、器件编号格、测量按钮等等，点击测量按钮左侧的记录按钮进入测量记录数据库查看界面；测量参数输入界面包括起始频率、终止频率、测量点数、速度选择、测量内容选择等；
板载无线通信设备主要通过系统的低功耗蓝牙BLE接通端口进行搜索设备，通过蓝牙设备的蓝牙服务端进行连接获取蓝牙socket通信，连接后创建线程不断循环读取socket的输入流数据，以’\n’进行隔断，根据数据进行曲线绘制等相应操作，发送数据同样是在socket的输出流中写入数据；
本地数据库通过帮助进行创建和升级数据库，在数据库工具类中对SQLiteDatabase进行增删改查的操作，实现数据库轻量化；
云端数据库为服务器上的MySql数据库，本地通过不同操作系统的网络框架与服务器通信；本地的数据有增删改时，通过相关指令操作把数据同步到服务器上；
实现了Windows，Android和IOS等三个平台的客户端应用、数据融合和交互。
本发明一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪及管理平台具有以下优点：
1、本发明将声学换能器的电学性能测量检测设备的体积缩小了，设备大小接近移动硬盘，体积仅为长 85mm×宽122mm×高28mm，便于随身携带；而且大大降低了阻抗分析设备的成本；
2、本发明将声学换能器的电学性能测量设备可脱离220v市电供电而长时间独立工作，方便使用者随时随地进行数据测量。
2、本发明结合硬件电路与智能设备或电脑，提出了整套数据本地和云端存储与管理方案，方便技术人员的数据测量及批量数据系统管理和分析，使得同城或异地远程管理与阅读测量数据成为可能；与智能手机(Android或IOS操作系统)或PC机电脑结合，解决不同平台的测量数据融合和交互问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明系统整体结构图；
图2为本发明电源管理电路模块整体结构图；
图3为本发明阻抗分析测量电路模块整体电路简图；
图4为本发明校验完成后进入频率扫描大循环流程图；
图5为本发明指令接收与校验过程流程图；
图6为本发明智能手机的测量和数据管理平台客户端界面；
图7为本发明PC机的测量和数据管理平台客户端界面；
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的一部分实施例，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作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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例
本发明一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪及管理平台，包括：
阻抗测量电路包括信号发生电路和信号调理与处理电路；信号发生电路由一颗DDS模块(直接频率合成模块)实现，信号调理与处理电路包括：低通有源滤波器、初级放大器、可变增益放大器、高速ADC(模数转换器)、分离傅里叶DFT运算模块；
电源管理电路包括运算放大器及模拟开关电路，运算放大器上有一引脚连接至提供的正弦激励信号有四个幅值可供选择的DDS模块上，运算放大器又一引脚配合模拟开关，从而组成可变增益放大器；
板载无线通信设备：用于接收来自客户端的测量指令、发送测量得到的阻抗数据给客户端；
微处理器MCU：其主要功能有，
a、从板载无线通讯设备中接收客户端的测量指令，并根据指令，首先打开测量模块的电源开关，选择合适频率的晶振，并向DDS模块中写入相关的测量控制参数及开始产生波形的指令；
b、对上述的DDS模块做频率控制使之产生所需频率的激励信号，并控制ADC模块进行AD采样，并将数据送入分离傅里叶运算模块中进行计算，将计算结果中剔除系统误差后，进行数值分析；
c、根据上述计算结果，对上述的模拟开关进行控制，从而选择合适的信号通路，只有当信号通路选择正确时，才能准确测量换能器阻抗；
d、将最终得到的阻抗数据通过串口通信发送至板载无线设备；
e、其他功能，包括电源管理、充电电池防过充保护及电量读取功能。
该分析仪的体积为长85mm×宽122mm×高28mm。
电源管理电路还包括单片机常备电源和精密电源，常备电源和精密电源均通过DC-DC升压器连接至锂电子电池，锂电子电池通过恒流电源连接充电管理设备。
板载无线通信设备外连接客户端，该客户端包括界面部分、板载无线通信设备部分、本地数据库部分和云端存储部分；
界面部分包括原生控件，频谱图像根据收到的数据点连线绘制而成，界面分为阻抗曲线绘制栏，各种参数展示栏，项目编号格、器件编号格、测量按钮等等，点击测量按钮左侧的记录按钮进入测量记录查看界面；测量参数输入界面包括起始频率、终止频率、测量点数、速度选择、测量内容选择等；
板载无线通信设备主要通过系统的蓝牙接通端口进行搜索设备，通过蓝牙设备的蓝牙服务端进行连接获取蓝牙socket通信，连接后创建线程不断循环读取socket的输入流数据，以’\n’进行隔断，根据数据进行频谱绘制等相应操作，发送数据同样是在socket的输出流中写入数据；
本地数据库通过SQLite进行创建和升级数据库，在数据库工具类中对Database进行增删改查的操作，实现数据库轻量化；
云端数据库为服务器上的MySql数据库，本地通过不同操作系统的网络框架与服务器通信；本地数据有增删改的操作时，通过相关指令操作把数据同步到服务器上。
如图1所示，客户通过带有无线设备的客户端(也可以是图2所述的智能手机/PC机)，输入测量范围、测量精度、测量速度等信息之后，由客户端将这些信息转换为指令，发送给板载无线通信设备(本实施实例中无线通信设备为蓝牙设备)，板载无线通信设备再将指令传递给MCU(本实施实例中使用51架构单片机) 进行指令的解码，再由MCU控制阻抗分析测量电路进行阻抗测量，所得数据首先由MCU进行编码，发送给板载无线通信设备，再由板载无线通信设备传递给客户端进行绘图或批量保存。在带有无线设备的客户端中，用户还可以将数据上传至云端的数据管理平台从而进行远程数据管理与阅读。
如图4和5所示，图5为指令接收与校验过程，图4为校验完成后进入频率扫描大循环。字符串型的指令被接收之后，由MCU将字符串解析为相应的数据，数据包含需测量的频段、测量速度、测量精度等，再将所解析的数据写入周边的设备以及模拟开关中，校验正确之后开始频率扫描。
频率扫描过程首先是正弦波的产生，产生的正弦波可能用于校准也可能用于测量，具体取决于测量过程的标志位。在校准过程中可以计算得出系统的阻抗及相位误差，从而在真正的测量过程中消除该误差。
量程切换采用的思路是，首先确定每个量程能够正确测量的范围，即误差较小的阻抗范围。当超出此范围时，分两种情况：阻抗过大，则切换为适用于更大阻抗测量的阻抗量程：阻抗过小，则切换为适于更小阻抗的量程。
由于系统误差，如果采用直接切换的方式进行阻抗量程切换，可能会引起量程的振荡性的切换，因此需要设置一个标志位，标记出上一个阻抗量程，从而阻止其振荡性的切换。
采用如下附图4和5所涉及的所示的测量核心电路原理以及测量电路的基本原理，将两组模拟开关配合量程电阻，分别接在核心运放的反向输入端及反馈端(挑选其中一路通道接入待测阻抗)，由单片机的控制总线对模拟开关的所有通道的打开与关闭进行控制。
单片机收到指令，要求测量换能器在10kHz～20kHz范围内的200个频率点的阻抗信息。单片机首先控制DDS产生10kHz频率的正弦激励信号进行初始化测量，此时，测量核心选择打开30Ω的标准电阻(反馈电阻)与30Ω的校准电阻通道，其他通道断开，延时一定的时间之后，控制DDS对核心运放的输出信号进行采样与分析，得到幅度值M0与相位值然后关闭30Ω的校准电阻通道，打开待测换能器所在的通道，延时一定的时间之后，控制DDS对核心运放的输出信号进行采样与分析，得到幅度值M1与相位值计算待测阻抗 Zu及相位值为：
为了保证测量过程中信号能够被正确完整的采样，核心运放的输出信号峰峰值，不超过电源电压且不小于激励信号峰峰值的三分之一，在2V峰峰值的激励信号下，可以设置30Ω的档位能够正确测量的阻抗范围为15Ω～90Ω，判断Zu，是否在此范围内，如果Zu小于15Ω，则进入10Ω档位重新测量该频率，如果Zu大于 90Ω，则进入100Ω档位重新测量该频率重复上述过程，首先校准新的档位，再次测量zu，然后判断zu是否在量程所及的范围内，如果不在范围内则一直更换量程直到满足条件。当10kHz的阻抗测量成功之后，单片机控制DDS产生频率的正弦激励信号,继续测量，以此类推，直到200个点的测量全部完成。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪，其特征在于，包括：
阻抗分析测量电路包括信号发生电路和信号调理与处理电路；信号发生电路由一颗DDS模块（直接频率合成模块）实现，信号调理与处理电路包括：低通有源滤波器、初级放大器、可变增益放大器、高速ADC（模数转换器）、分离傅里叶DFT运算模块；
电源管理电路包括运算放大器及模拟开关电路，运算放大器上有一引脚连接至提供的正弦激励信号有四个幅值可供选择的DDS模块上，运算放大器又一引脚配合模拟开关，从而组成可变增益放大器；
板载无线通信设备：用于接收来自客户端的测量指令、发送测量得到的阻抗数据给客户端；
微处理器MCU：其主要功能有，
a、从板载无线通讯设备中接收客户端的测量指令，并根据指令，首先打开测量模块的电源开关，选择合适频率的晶振，并向DDS模块中写入相关的测量控制参数及开始产生波形的指令；
b、对上述的DDS模块做频率控制使之产生所需频率的激励信号，并控制ADC模块进行AD采样，并将数据送入分离傅里叶DFT运算模块中进行计算，将计算结果中剔除系统误差后，进行数值分析；
c、根据上述计算结果，对上述的模拟开关进行控制，从而选择合适的信号通路，只有当信号通路选择正确时，才能准确测量换能器阻抗；
d、将最终得到的阻抗数据通过串口通信发送至板载无线设备；
e、其他功能，包括电源管理、充电电池防过充保护及电量读取功能。
2.根据权利要求1所述的一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪，其特征在于，该分析仪的体积最大为：长85mm×宽122mm×高28mm，使设备形状大小接近于移动硬盘。
3.根据权利要求1所述的一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪，其特征在于，电源管理电路还包括单片机常备电源和精密电源，常备电源和精密电源均通过DC-DC升压器连接至锂电子电池，锂电子电池通过恒流电源连接充电管理设备。
4.一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪的数据管理平台，其特征在于，板载无线通信设备外连接客户端，该客户端包括界面部分、板载无线通信设备部分、本地数据库部分、云端存储部分和远程控制测量部分；
界面部分包括原生控件，频谱图像根据收到的数据点连线绘制而成，界面分为阻抗或导纳曲线绘制栏，各种参数分析结果展示栏，项目编号格、器件编号格、测量按钮等等，点击测量按钮左侧的记录按钮进入测量记录数据库查看界面；测量参数输入界面包括起始频率、终止频率、测量点数、速度选择、测量内容选择等；板载无线通信设备主要通过系统的低功耗蓝牙BLE接通端口进行搜索设备，通过蓝牙设备的蓝牙服务端进行连接获取蓝牙socket通信，连接后创建线程不断循环读取socket的输入流数据，以’\n’进行隔断，根据数据进行曲线绘制等相应操作，发送数据同样是在socket的输出流中写入数据；本地数据库通过帮助进行创建和升级数据库，在数据库工具类中对SQLiteDatabase进行增删改查的操作，实现数据库轻量化；云端数据库为服务器上的MySql数据库，本地通过不同操作系统的网络框架与服务器通信；本地的数据有增删改时，通过相关指令操作把数据同步到服务器上。
5. 根据权利要求4所述的一种便携式声学换能器的电学性能测量分析仪的管理平台，其特征在于，实现了Windows，Android和IOS 等三个平台的客户端应用、数据融合和交互。
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