CN109992553A - Pci扩展装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PCI扩展装置，包括：PCB板；主控模块，设置于PCB板上，主控模块用于与上位机进行信号传输，并根据上位机的第一控制信号输出第二控制信号；超声波驱动模块，设置于PCB板上，超声波驱动模块用于根据第二控制信号向超声波换能器输出超声波驱动信号；PCI总线接口，设置在PCB板上，PCI总线接口用于分别连接主控模块和上位机。

Description

PCI扩展装置

技术领域

本发明涉及控制领域，尤其涉及一种PCI(Peripheral Component Interconnect，外设组件互联)扩展装置。

背景技术

在半导体封装技术中，超声波换能器是半导体封装设备的核心部件。传统的超声波换能器的驱动控制系统，由上位机发出控制信号，控制信号经PCI扩展卡转换后通过并口线缆向独立的嵌入式集成电路驱动装置传输，实现超声波换能器的驱动控制。

在实践中，发明人发现，半导体封装设备工业现场的电磁环境恶劣，而嵌入式集成电路驱动装置通过并口线缆与PCI扩展卡连接，控制信号传输容易受到电磁干扰，使得超声波换能器驱动控制不稳定。

发明内容

基于此，有必要针对上述超声波换能器驱动控制系统中控制信号传输容易受到电磁干扰的技术问题，提出一种PCI扩展装置。

本发明实施例提供一种PCI扩展装置，包括：

PCB板，用于布设电子元器件；

主控模块，设置于PCB板上，主控模块用于与上位机进行信号传输，并根据上位机的指令信号输出控制信号；

超声波驱动模块，设置于PCB板上，超声波驱动模块用于根据控制信号向超声波换能器输出超声波驱动信号；

PCI总线接口，设置在PCB板上，PCI总线接口用于分别连接主控模块和上位机，以及用于传输主控模块和上位机之间的信号。

在其中一个实施例中，PCB板还设有功放单元和功放电源电路；

功放单元用于对超声波驱动信号进行放大；

功放电源用于对外部电源进行电压转换后对功放单元供电。

在其中一个实施例中，PBC板还包括阻抗匹配电路，用于对超声波换能器和功放单元进行阻抗匹配。

在其中一个实施例中，PCB板还设有采样反馈模块；

采样反馈模块用于对超声波驱动信号进行采样，并将采样信号与控制信号的对比结果输出至向主控模块；

主控模块根据对比结果控制超声波驱动模块稳定输出超声波驱动信号。

在其中一个实施例中，采样反馈模块包括采样单元、基准单元、转换单元和比较单元；

采样单元用于对超声波驱动信号进行采样，得到第一采样信号并发送至转换单元；

基准单元用于向转换单元提供转换基准信息；

转换单元根据转换基准信息对采样信号进行转换，得到第二采样信号并将第二采样信号输出至比较单元；

比较单元用于将第二采样信号和控制信号进行比较，并将比较结果反馈至主控模块。

在其中一个实施例中，主控模块包括FPGA芯片；

FPGA芯片用于根据比较结果控制超声波驱动模块稳定输出超声波驱动信号。

在其中一个实施例中，PCB板还设有隔离电源电路，用于向采样单元、基准单元、转换单元和比较单元供电。

在其中一个实施例中，PCB板还设有BNC同轴接口，BNC同轴接口的一端连接超声波驱动模块，BNC同轴接口的另一端用于连接超声波换能器。

在其中一个实施例中，PCB板还设有minifit接口；

功放电源电路通过minifit接口连接外部电源。

在其中一个实施例中，PCB板设有第一元件区、第二元件区、第三元件区和第四元件区；

第一元件区设有FPGA芯片、超声波驱动单元以及PCI总线接口；

第二元件区与第一元件区相邻，并设有minifit接口、功放电源电路以及BNC同轴接口；

第三元件区与第一元件区相对，并设有采样单元、功放单元、阻抗匹配单元；

第四元件区分别与第一元件区和第三元件区相邻，并设有隔离电源电路、基准单元、比较单元以及转换单元。

上述PCI扩展装置集成了主控模块和超声波驱动模块，通过PCI总线接口与上位机进行通信连接，不仅节省了传统独立的超声波驱动装置与PCI扩展卡之间的连接电缆，节省了成本；而且由于本发明的PCI扩展装置直接与超声波换能器连接，结构简单，信号传输不易受干扰，控制操作更加稳定。

附图说明

图1为本发明一个实施例PCI扩展装置的模块框图；

图2为本发明另一个实施例PCI扩展装置的模块框图；

图3为本发明另一个实施例PCI扩展装置的模块框图；

图4为本发明一个实施例PCI扩展装置的元件布局图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种PCI扩展装置，包括PCB板1(Printed CircuitBoard，印制电路板)、主控模块、超声波驱动模块3以及PCI总线接口4。

其中，PCB板1用于为电子元件提供布设空间。PCB板1上设有印刷电路布线，印刷电路布线用于连接设置在PCB板1上的各个电子元器件。可选地，PCB板1可以采用单层板，即PCB板1只布设一层印刷电路布线，电子元器件集中设置在PCB板1的其中一面。可选地，PCB板1也可以采用双层板，即PCB上布设两层印刷电路布线，电子元器件可以集中设置在PCB板1的其中一面，也可以依实际情况在PCB板1的两面都设置电子元器件。当然，PCB板1也可以采用多层板，即PCB板1布设有两层以上的印刷电路布线，这样可以增加布线面积，提高装置的集成度。

主控模块设置在PCB板1上，主控模块用于与上位机5进行信号传输，并根据上位机5的第一控制信号发出第二控制信号。第一控制信号用于上位机对主控模块进行控制，第二控制信号用于主控模块对超声波驱动模块进行控制。主控模块可以是具有信息处理能力的任意模块，可选地，主控模块可以是微处理器，也可以是FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程门阵列)，还可以是PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)等。只要能够与上位机5进行信息通信，并向超声波驱动模块3输出控制信号即可。

上位机5用于与主控模块进行通信，是对主控模块直接发出控制命令的任意设备，比如，上位机5可以是工控机，也可以是个人电脑，还可以是手机移动终端等控制设备。

PCI总线接口4设置在PCB板1上，是外设部件互联的局部并行总线接口，用于连接主控模块和上位机5，实现主控模块和上位机5之间的信号传输以及数据交换。可选地，在PCB板1上设置与上位机5上PCI插槽相匹配的金手指，金手指与PCB板1上的主控模块电连接，形成PCI总线接口4，实现上位机5与主控模块之间的通信。

超声波驱动模块3是用于产生超声波驱动信号的电路，超声波驱动模块3用于连接超声波换能器6，将市电频率的电能转换为高频信号输出至超声波换能器6，以驱动超声波换能器6发出超声波。

超声波换能器6是用于产生超声波的设备，能够将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去。可选地，超声波换能器6可以是压电换能器，也可以是磁致伸缩换能器，可以是静电容型换能器，也可以是电磁声换能器，还可以是机械型超声换能器等。

在传统的超声波换能器6驱动技术中，上位机5与PCI扩展卡连接后，输出的指令经过PCI扩展卡转换，还需要经过独立的驱动控制装置才能驱动超声波换能器6工作，而驱动控制装置与PCI扩展卡通过并口线缆连接，不仅连接复杂，而且控制信号的通过并口线传输容易受到干扰。而本实施例提供的PCI扩展装置，将主控模块和超声波驱动模块3集成于一块PCB板1上，通过PCI总线接口4与上位机5进行通信连接，结构简单，不需要独立的超声波驱动装置对超声波换能器6进行驱动，而是通过PCI扩展装置直接对超声波换能器6进行驱动，因而取消了并口线缆的连接部分，不仅节省了硬件成本，还提高了信号传输的抗干扰能力，控制和操作都更为稳定。

在其中一个实施例中，PCI扩展装置还包括功放单元71和功放电源电路72，功放单元71和功放电源电路72均设置在PCB板1上。功放单元71用于对超声波驱动信号进行放大，并将放大后的超声波驱动信号输出至超声波换能器6，以驱动超声波换能器6。功放单元71可以是能够将信号放大以实现功率输出的任意电路，比如，功放单元71可以是功率放大集成芯片，也可以是三极管，还可以是多级放大电路的集合，只要能够实现对信号的放大输出即可。功放电源电路72是为功放提供相匹配电源的任意电路。功放电源电路72将外部电源8的电流和电压转换为与功放单元71的工作电压和电流相匹配，以使功放单元71能够工作而对超声波驱动信号进行放大。

在传统的超声波换能器6驱动系统中，功放单元71作为对驱动信号起放大作用的电路，设置于超声波驱动信号的传输末端，这样就容易将传输过程中的干扰信号进行放大，从而使得超声波换能器6的控制不够稳定。在本实施例中，功放单元71与驱动电路共同设置在PCI扩展装置中，在向超声波换能器6输出超声波驱动信号时即进行功率放大，可以避免对干扰信号的放大，从而提高信噪比，提高控制的稳定性。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有阻抗匹配电路。阻抗匹配电路用于在信号传输过程中匹配负载阻抗与信源内阻抗之间的特定配合关系，即用于匹配超声波驱动模块3和功放单元71的总内阻与超声波换能器6阻抗之间的配合关系。当总内阻与超声波换能器6阻抗相匹配，即阻抗匹配时，超声波驱动信号的传输损耗最小，携带的能量全部为超声波换能器6所吸收，从而使得超声波换能器6功率输出最大化。若阻抗失配，超声波驱动信号传输过程中会出现信号反射，从而带来传输损耗，降低传输效率或者使得传输信号失真。

在其中一个实施例中，PCB板1上还设有采样反馈模块74。采样反馈模块74用于对超声波驱动信号进行采样，并将采样信号向主控模块反馈。由于控制信号输入可能会不稳定，超声波驱动信号输出也会随之呈现出不稳定的状态，比如控制信号的不稳定会导致输出功率的不稳定，使得超声波换能器6转换成机械能的振动不规律；再比如，超声波换能器6可能不能工作在谐振频率点，因而无法使其工作效率最大化。因此发明本实施例采取在PCB板1上设置采样反馈模块74的方式，对超声波驱动信号进行采样，当超声波驱动信号输出功率的不稳定时，采样反馈模块74将超声波驱动信号的采样信息反馈至主控模块2，主控模块2对控制信号进行调节，使得超声波驱动信号不随呈现出稳定的状态，驱动超声波换能器6稳定输出。可选地，当超声波换能器6工作频率偏离谐振频率点时，可采取采样反馈模块74对超声波换能器6进行频率采样，提供频率跟踪信号，主控模块2根据频率跟踪信号调整控制信号，控制超声波驱动信号始终在超声波换能器6的谐振点处，使得超声波换能器6一直工作于最佳状态，即工作频率处于谐振频率点。可选地，根据实际需要，采样反馈模块74可以采用功率采样反馈模块74，也可以采用鉴相采样反馈模块74。功率采样反馈模块74对超声波驱动信号的功率进行采样，用于实现功率控制。鉴相采样反馈模块74对超声波驱动信号的相频特性进行采样，用于实现鉴相控制。

可选地，采样反馈模块74可以包括采样单元744、基准单元743、转换单元742以及比较单元741。其中，采样单元744用于对超声波驱动信号进行采样，超声波驱动信号是模拟信号，因此采样单元744对超声波驱动信号进行采样后进行第一模数转换，得到第一采样信号，并将第一采样信号输出至转换单元742。由于超声波驱动信号包含两种控制信号，因此，采用两路采样单元744对超声波驱动信号进行采样。

基准单元743向转换单元742提供转换基准信息。转换单元742根据转换基准信息对第一采样信号进行转换，得到与第二控制信号相对应的第二采样信号，并将第二采样信号输出至比较单元741。其中，第二采样信号用于与第二控制信号进行比较。可选地，转换单元742可以包括调理电路和转换电路，调理电路对第一采样信号进行调理，比如滤波调节、电平调节等，并将调理后的第一采样信号输出值转换电路，转换电路根据基准信息对调理后的第一采样信号进行转换，得到第二采样信号。可选地，转换电路可以采用模数转换电路。比较单元741将第二采样信号和控制信号进行比较，得到比较结果，并将比较结果反馈至主控模块2。此时，主控模块2根据反馈结果对控制信号进行调节，从而控制超声波驱动信号稳定输出。比如，若比较结果反馈超声波驱动信号的输出功率不稳定，则主控模块2调节控制信号的稳定性，从而控制超声波驱动信号输出功率的稳定。若比较结果反馈超声波驱动信号的驱动频率与超声波换能器6的谐振频率不一致，主控模块2则调整控制信号的控制频谱，从而实现超声波驱动信号能够驱动超声波换能器6工作在谐振频率，实现最大效率工作。

在其中一个实施例中，主控模块2包括FPGA芯片21。FPGA芯片21是现场可编辑门阵列，FPGA芯片21的第一输入端用于与上位机5连接，用于接收上位机5的第一控制信号，FPGA芯片21的第二输入端连接比较单元741的输出端，用于接收比较单元741反馈的比较结果，FPGA的输出端连接超声波驱动模块3的输入端，用于向超声波驱动模块3输出第二控制信号，以使超声波驱动模块3驱动超声波换能器6。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有隔离电源电路91。隔离电源电路91是能够将电源输入回路和输出回路进行电气隔离的任意供电的单元。隔离电源电路91的输入和输出之间是绝缘的高阻态，不存在电流回路。可选地，隔离电源电路91可以采用反激式变压器。隔离电源电路91用于对外部电源8进行转换，并向采样单元744、基准单元743、转换单元742以及比较单元741提供相对应的电压供电。可选地，隔离电源包括主线圈和次线圈，主线圈和次线圈相配合将外部电源8的电压通过转换为与预设的电压向外输出。其中主线圈连接外部电源8，承受外部电源8电压，次级线圈连接负载，只承受输出的低交流电压，并且主次线圈之间并不直接连接，从而实现将输入和输出之间的隔离。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有BNC(Bayonet Nut Connector，刺刀螺母连接器)同轴接口。BNC同轴接口93是一种用于同轴电缆的连接器，能够隔绝信号间的互相干扰，从而提高信号传输的信噪比。BNC同轴接口93的一端连接超声波驱动模块3，另一端用于连接超声波换能器6。可选地，在其中一个实施例中，BNC同轴接口93的一端连接功放单元71，另一端用于连接超声波换能器6，BNC同轴接口93将放大后的超声波驱动信号传输至超声波换能器6以驱动超声波换能器6工作。

在其中一个实施例中，PCB板1上还设有minifit接口(迷你适配接口)。minifit接口是用于连接外部电源8的绝缘接口，minifit接口的一端连接功放电源电路72的输入端，minifit接口的另一端用于连接外部电源8。minifit接口具有带隔离端子、压力锁紧和低结合力的极化外壳，能够防止连接漏电以及意外拔出，避免意外触电的事故发生。

在其中一个实施例中，功放单元71还设有散热器，用于对功放单元71进行散热。可选地，散热器采用低RCS热阻、工业级的铝散热片，能够对功放单元71进行自然风冷散热。可选地，功放单元71水平固定在散热片上，散热片通过铜柱固定在PCB板1上。这样，功放单元71即使在最大工作功率状态下也能安全可靠工作，同时，散热片固定在PCB板1上，占用体积小，不会增加PCI扩展装置的整体尺寸，使得PCI扩展装置安装在上位机5上时，不会干涉上位机5内的其他板卡。

在其中一个实施例中，PCB板1上还设有板卡挡片。板卡挡片用于对PCB板1进行定位，同时能够对PCB板1上进行防尘，防止PCB内部的电子元器件受灰尘静电干扰而损坏。

在其中一个实施例中，PCB板1还设有以太网接口，以太网接口一端连接FPGA，另一端连接外部设备。以太网口用FPGA与外部设备之间的通信传输。可选地，以太网口可以采用千兆以太网RJ45接口92。

在其中一个实施例中PCB板1上还设有JTAG接口，JTAG接口的一端连接FPGA芯片21，另一端用于连接调试设备。JTAG接口用于FPGA芯片21和调试设备之间的信号传输，以使调试设备对FPGA芯片21进行调试。

在其中一个实施例中，PCB板1上还设有内核电源电路，内核电源电路用于对外部电源8进行电压转换后向FPGA的内核供电。

可选地，PCB上还设有MOLEX 4pin公头插座，用于对功能扩展备用。

在其中一个实施例中，PCB板1的表面沿第一方向相对设有第一元件区100和第二元件区200，PCB板1的表面沿第二方向相对设有第三元件区300和第四元件区400。

在第一元件区100设有FPGA芯片21、超声波驱动单元以及PCI总线接口4。在第二元件区200设有采样单元744、功放单元71、阻抗匹配单元并。在第三元件区300设有minifit接口、功放电源电路72以及BNC同轴接口93。在第四元件区400设有隔离电源电路91、基准单元743、比较单元741以及转换单元742。以上元件布局能够使各元器件沿信号流向布设，不容易产生交叉布线或者绕路布线，因此能够避免不同信号之间的干扰。同时，这种布局方式能够使各元器件之间的走线距离缩短，减小信号传输过程中受到的干扰。可选地，第一方向和第二方向垂直。可选地，第一元件区100、第二元件区200、第三元件区300以及第四元件区400均沿PCB板的边缘设置并且各个元件区的面积之和为PCB板的总面积，以最大化利用PCB板的面积。

可选地，第一元件区100还设有内核电源电路和MOLEX 4pin公头插座。第二元件区200还设有散热片和JTAG接口。第三元件区300还受千兆以太网RJ45接口92和挡板挡片。

可选地，PCB板1的尺寸为场193毫米，宽109毫米。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种PCI扩展装置，其特征在于，包括：

PCB板；

主控模块，设置于所述PCB板上，所述主控模块用于与上位机进行信号传输，并根据所述上位机的第一控制信号输出第二控制信号；

超声波驱动模块，设置于所述PCB板上，所述超声波驱动模块用于根据所述第二控制信号向超声波换能器输出超声波驱动信号；

PCI总线接口，设置在所述PCB板上，所述PCI总线接口用于分别连接所述主控模块和所述上位机。

2.根据权利要求1所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PCB板还设有功放单元和功放电源电路；

所述功放单元用于对所述超声波驱动信号进行放大，并将放大后的所述超声波驱动信号输出至所述超声波换能器；

所述功放电源用于对外部电源进行电压转换后对所述功放单元供电。

3.根据权利要求2所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PBC板还设有阻抗匹配电路，用于对所述超声波换能器和所述功放单元进行阻抗匹配。

4.根据权利要求3所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PCB板还设有采样反馈模块；

所述采样反馈模块用于对所述超声波驱动信号进行采样，并将采样信号与所述第二控制信号的对比结果输出至向所述主控模块；

所述主控模块根据所述对比结果控制所述超声波驱动模块稳定输出所述超声波驱动信号。

5.根据权利要求4所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述采样反馈模块包括采样单元、基准单元、转换单元和比较单元；

所述采样单元用于对所述超声波驱动信号进行采样，得到第一采样信号并输出至所述转换单元；

所述基准单元用于向所述转换单元提供转换基准信息；

所述转换单元根据所述转换基准信息对所述第一采样信号进行转换，得到第二采样信号并将所述第二采样信号输出至所述比较单元；

所述比较单元用于将所述第二采样信号和所述第二控制信号进行比较，并将比较结果反馈至所述主控模块。

6.根据权利要求5所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述主控模块包括FPGA芯片。

7.根据权利要求6所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PCB板还设有隔离电源电路，所述隔离电源电路用于对所述外部电源进行转换并向所述采样单元、基准单元、转换单元和比较单元供电。

8.根据权要求7所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PCB板还设有BNC同轴接口，所述BNC同轴接口的一端连接所述超声波驱动模块，所述BNC同轴接口的另一端用于连接所述超声波换能器。

9.根据权利要求8所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PCB板还设有minifit接口；

所述minifit接口的一端连接所述功放电源电路，所述minifit接口的另一端用于连接所述外部电源。

10.根据权利要求9所述的PCI扩展装置，其特征在于，所述PCB板的表面沿第一方向相对设有第一元件区和第二元件区，所述表面沿第二方向相对设有第三元件区和第四元件区；

所述第一元件区设有所述FPGA芯片、所述超声波驱动单元以及所述PCI总线接口；

所述第二元件区设有所述采样单元、所述功放单元、所述阻抗匹配单元并；

所述第三元件区设有所述minifit接口、所述功放电源电路以及所述BNC同轴接口；

所述第四元件区设有所述隔离电源电路、所述基准单元、所述比较单元以及所述转换单元。