CN110703235A - 一种超声波测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测量系统及其方法，属于电子技术领域，包括收发换能器单元、收发模拟电路单元、核心处理单元和人机接口，解决了采用数字滤波技术提高超声波测量信号采集的准确度的技术问题，本发明将超声波接收、按键控制、时间测量、画面显示等测量系统集成在一个芯片中，极大的提高了集成度，将接收到的模拟回波信息转换成数字信号，并在芯片中对数字信号进行处理运算，达到模拟电路中的带通滤波、检波等作用，数字滤波后的信号直接送内部CPU计算，得出更为精确的测量值，本发明的优势为整个系统中只需一个功率发射模块和一个多功能数据处理模块即可实现超声波测量的功能。

Description

一种超声波测量系统及其方法

技术领域

本发明属于超声波探测技术领域，尤其涉及一种超声波测量系统及其方法。

背景技术

超声波测量应用领域很广，利用超声波的穿透特性以及在不同介质中的反馈特点，可以用于金属探伤，距离测量，水下目标检测等领域。

在高于可听的声波频率(20KHz)之外的频段，利用电声转换器件，将超声波脉冲转换为超声波发送出去，这部分为发射模块。超声波遇目标后反射的回波，通过声电转换器件，将超声波转换为电信号，进行发大，混频，检波等处理，这部分为接收模块。接收模块处理后的送处理单元计算后得到测量结果。

接收模块的传统做法是将接收到的小信号，经过一个混频电路等到一个中频信号，再通过带通滤波后进行检波，得到反射回波的电平。后级处理单元根据检波到的电平计算出回波强度，根据回波与发射脉冲的延时计算出目标距离

现有的超声波测量系统一般包括发射系统，接收系统，信号处理系统和显示系统组成。其中接收系统一般是通过超外差混频方式将接收到的信号转换为455KHz的中频信号，将有用回波信号从中频中提取出来差信号处理单元处理计算。该方式处理的过程均为模拟信号，受信号幅度、频率偏移以及模拟器件的精度等限制，接收系统存在调试复杂，精度差等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波测量系统及其方法，解决了采用数字滤波技术提高超声波测量信号采集的准确度的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声波测量系统，包括收发换能器单元、收发模拟电路单元、核心处理单元和人机接口；

收发换能器单元包括发射换能器和接收换能器；

收发模拟电路单元包括发射驱动单元和接收限幅单元，发射驱动单元用于驱动发射换能器，接收限幅单元用于接收接收换能器传回的信号；

核心处理单元包括ADC模块、接收同步模块、数字滤波模块、CPU处理模块、发射脉冲模块、外部接口模块、视频驱动模块和音频驱动模块；

发射脉冲模块连接CPU处理模块，用于向发射驱动单元提供发射脉冲信号；

CPU处理模块通过接收同步模块向ADC模块发出同步时钟信号；

接收限幅单元连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端通过数字滤波模块连接CPU处理模块；

外部接口连接CPU处理模块，用于提供外部数据通信接口；

视频驱动模块和音频驱动模块均连接CPU处理模块，分别用于提供外部显示单元和音频单元。

优选的，所述核心处理单元采用IT970型号的MCU处理器，接收限幅单元连接所述MCU处理器的ADC接口，音频单元连接所述MCU处理器的AudioCodec接口，显示单元连接连接所述MCU处理器的LVDS接口，发射驱动单元连接所述MCU处理器的一个IO口。

优选的，所述外部数据通信接口为所述MCU处理器提供的串口通信接口。

优选的，所述发射驱动单元的为由MC34151及其外围电路构成的发射驱动电路，所述接收限幅单元的型号为由LM358构成的放大电路。

所述发射换能器和所述接收换能器为发射接收一体换能器，其型号为JLT-200K-1068；显示单元为液晶显示屏，音频单元为扬声器。

一种超声波测量方法，包括如下步骤：

步骤1：建立一种超声波测量系统；

步骤2：CPU处理模块产生启动脉冲信号，并通过发射脉冲模块将启动脉冲信号传输给发射驱动单元，发射驱动单元将启动脉冲信号进行功率放大后推送给发射换能器；

步骤3：发射换能器内置发射振子，发射振子将发射驱动推送来的信号转换成超声波向外发射；

步骤4：接收换能器内置接收振子，接收振子接收超声波的目标回波，接收振子将目标回波转换成电信号，并传输给接收限幅单元；

步骤5：接收限幅单元将接收振子传输来的电信号限定在安全的幅度以内，生成待测信号，并将待测信号传输给ADC模块的输入端；

步骤6：ADC模块与接收同步单元相连，在启动脉冲信号发射后的预定时间延迟后再进行模拟数字信号转换；

ADC模块待测信号转换成源数字信号，并将源数字信号传送给数字滤波模块；

步骤7：数字滤波模块对源数字信号进行筛选，识别，抛弃无用的干扰信号，得到目标数字信号，其包括如下步骤：

步骤A：获取目标数字信号的幅度均值，设定一个均值参考值，并判断幅度均值是否大于均值参考值：大于，则舍弃目标数字信号，并执行步骤A；不大于，则执行步骤B；

步骤B：保存目标数字信号，判断目标数字信号是否小于均值参考值的二分之一：是，则舍弃目标数字信号，执行步骤A；否，则保存目标数字信号，并执行步骤C；

步骤C：设定一个限幅阈值，根据限幅阈值对目标数字信号进行限幅处理，得到限幅数字信号；

步骤D：设定一个频率阈值，频率阈值的上限为上边带，频率阈值的下限为下边带，当限幅数字信号落在上边带和下边带之间时，保存限幅数字信号，并执行步骤E；反之，则舍弃限幅数字信号并执行步骤A；

步骤E：将限幅数字信号作为滤波后的目标数字信号传送给CPU处理模块；

步骤8：CPU处理模块存储滤波后的目标数字信号，并生成历史数据；

步骤9：CPU处理模块通过串口与外设按键、遥控器或上位机进行通信，并通过显示单元显示历史数据，通过音频单元发出音频提示音。

本发明所述的一种超声波测量系统及其方法，解决了采用数字滤波技术提高超声波测量信号采集的准确度的技术问题，本发明将超声波接收、按键控制、时间测量、画面显示等测量系统集成在一个芯片中，极大的提高了集成度，将接收到的模拟回波信息转换成数字信号，并在芯片中对数字信号进行处理运算，达到模拟电路中的带通滤波、检波等作用，数字滤波后的信号直接送内部CPU计算，得出更为精确的测量值，本发明的优势为整个系统中只需一个功率发射模块和一个多功能数据处理模块即可实现超声波测量的功能。

附图说明

图1是本发明的原理图方框图；

图2是本发明的发射驱动单元的电路图；

图3是本发明的接收限幅单元的电路图；

图4是本发明的步骤7的流程图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图3所示的一种超声波测量系统，包括收发换能器单元、收发模拟电路单元、核心处理单元和人机接口；

收发换能器单元包括发射换能器和接收换能器；

收发模拟电路单元包括发射驱动单元和接收限幅单元，发射驱动单元用于驱动发射换能器，接收限幅单元用于接收接收换能器传回的信号；

核心处理单元包括ADC模块、接收同步模块、数字滤波模块、CPU处理模块、发射脉冲模块、外部接口模块、视频驱动模块和音频驱动模块；

发射脉冲模块连接CPU处理模块，用于向发射驱动单元提供发射脉冲信号；

CPU处理模块通过接收同步模块向ADC模块发出同步时钟信号；

接收限幅单元连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端通过数字滤波模块连接CPU处理模块；

外部接口连接CPU处理模块，用于提供外部数据通信接口；

视频驱动模块和音频驱动模块均连接CPU处理模块，分别用于提供外部显示单元和音频单元。

优选的，所述核心处理单元采用IT970型号的MCU处理器，接收限幅单元连接所述MCU处理器的ADC接口，音频单元连接所述MCU处理器的AudioCodec接口，显示单元连接连接所述MCU处理器的LVDS接口，发射驱动单元连接所述MCU处理器的一个IO口。

优选的，所述外部数据通信接口为所述MCU处理器提供的串口通信接口。

优选的，所述发射驱动单元的为由MC34151及其外围电路构成的发射驱动电路，所述接收限幅单元的型号为由LM358构成的放大电路。

在本实施例中，MC34151及其外围电路包括MC34151芯片U1、电容C1、电阻R3、电阻R4、电阻R2和电阻R1，本实施例中，还包括由MOS驱动管D5、场效应管Q10、三极管Q9、场效应管Q13、场效应管Q2和变压器T1T构成的驱动电路，其中，MOS驱动管D5的1脚和2脚分别通过电阻R3和电阻R4连接MC34151芯片U1的7脚和5脚，MOS驱动管D5的3脚连接场效应管Q10的D极，场效应管Q10的S极连接地线，场效应管Q10的S极和D极之间连接一个电容C28，场效应管Q10的G极通过电阻R37连接地线，场效应管Q10的G极还通过三极管Q9连接地线，三极管Q9的基极通过电阻R35连接述MCU处理器的一个IO口，场效应管Q10的G极还通过二极管Z2和电阻R38连接二极管D23和二极管D6的负极，二极管D23的正极连接变压器T1T的初级线圈的一端，二极管D6的正极连接变压器T1T的初级线圈的另一端，MOS驱动管D5的1脚和2脚还分别通过串联连接的电阻R33与场效应管Q13和串联连接的电阻R36与场效应管Q3分别连接变压器T1T的初级线圈的两端，变压器T1T的次级输出驱动信号，二极管D10、二极管D11、二极管D8和二极管D9构成了变压器T1T的初次级线圈的整流电路。

MC34151为MOS驱动芯片，其输入信息来自CPU的发射输出。驱动Q13,Q3放大，再通过变压器将功率信号输出到发射换能器中。

所述接收限幅单元则通过二极管D13和二极管D12构成了一组双向二极管对信号限幅，再通过耦合中周T1，将信号送至运放进行放大器LM358放大后输出。

所述发射换能器和所述接收换能器为发射接收一体换能器，其型号为JLT-200K-1068；显示单元为液晶显示屏，音频单元为扬声器。

实施例2：

如图1-图4所示，实施例2所述的一种超声波测量方法是在实施例1所述的一种超声波测量系统的基础上实现的，包括如下步骤：

步骤1：建立一种超声波测量系统；

步骤2：CPU处理模块产生启动脉冲信号，并通过发射脉冲模块将启动脉冲信号传输给发射驱动单元，发射驱动单元将启动脉冲信号进行功率放大后推送给发射换能器；

步骤3：发射换能器内置发射振子，发射振子将发射驱动推送来的信号转换成超声波向外发射；

步骤4：接收换能器内置接收振子，接收振子接收超声波的目标回波，接收振子将目标回波转换成电信号，并传输给接收限幅单元；

步骤5：接收限幅单元将接收振子传输来的电信号限定在安全的幅度以内，生成待测信号，并将待测信号传输给ADC模块的输入端；

步骤6：ADC模块与接收同步单元相连，在启动脉冲信号发射后的预定时间延迟后再进行模拟数字信号转换；

ADC模块待测信号转换成源数字信号，并将源数字信号传送给数字滤波模块；

步骤7：数字滤波模块对源数字信号进行筛选，识别，抛弃无用的干扰信号，得到目标数字信号，其包括如下步骤：

步骤A：获取目标数字信号的幅度均值，设定一个均值参考值，并判断幅度均值是否大于均值参考值：大于，则舍弃目标数字信号，并执行步骤A；不大于，则执行步骤B；

步骤B：保存目标数字信号，判断目标数字信号是否小于均值参考值的二分之一：是，则舍弃目标数字信号，执行步骤A；否，则保存目标数字信号，并执行步骤C；

步骤C：设定一个限幅阈值，根据限幅阈值对目标数字信号进行限幅处理，得到限幅数字信号；

步骤D：设定一个频率阈值，频率阈值的上限为上边带，频率阈值的下限为下边带，当限幅数字信号落在上边带和下边带之间时，保存限幅数字信号，并执行步骤E；反之，则舍弃限幅数字信号并执行步骤A；

步骤E：将限幅数字信号作为滤波后的目标数字信号传送给CPU处理模块；

步骤8：CPU处理模块存储目标数字信号，并生成历史数据；

步骤9：CPU处理模块通过串口与外设按键、遥控器或上位机进行通信，并通过显示单元显示历史数据，通过音频单元发出音频提示音。

本发明所述的一种超声波测量系统及其方法，解决了采用数字滤波技术提高超声波测量信号采集的准确度的技术问题，本发明将超声波接收、按键控制、时间测量、画面显示等测量系统集成在一个芯片中，极大的提高了集成度，将接收到的模拟回波信息转换成数字信号，并在芯片中对数字信号进行处理运算，达到模拟电路中的带通滤波、检波等作用，数字滤波后的信号直接送内部CPU计算，得出更为精确的测量值，本发明的优势为整个系统中只需一个功率发射模块和一个多功能数据处理模块即可实现超声波测量的功能。

Claims (5)

1.一种超声波测量系统，其特征在于：包括收发换能器单元、收发模拟电路单元、核心处理单元和人机接口；

收发换能器单元包括发射换能器和接收换能器；

收发模拟电路单元包括发射驱动单元和接收限幅单元，发射驱动单元用于驱动发射换能器，接收限幅单元用于接收接收换能器传回的信号；

核心处理单元包括ADC模块、接收同步模块、数字滤波模块、CPU处理模块、发射脉冲模块、外部接口模块、视频驱动模块和音频驱动模块；

发射脉冲模块连接CPU处理模块，用于向发射驱动单元提供发射脉冲信号；

CPU处理模块通过接收同步模块向ADC模块发出同步时钟信号；

接收限幅单元连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端通过数字滤波模块连接CPU处理模块；

外部接口连接CPU处理模块，用于提供外部数据通信接口；

视频驱动模块和音频驱动模块均连接CPU处理模块，分别用于提供外部显示单元和音频单元。

2.如权利要求1所述的一种超声波测量系统，其特征在于：所述核心处理单元采用IT970型号的MCU处理器，接收限幅单元连接所述MCU处理器的ADC接口，音频单元连接所述MCU处理器的AudioCodec接口，显示单元连接连接所述MCU处理器的LVDS接口，发射驱动单元连接所述MCU处理器的一个IO口。

3.如权利要求2所述的一种超声波测量系统，其特征在于：所述外部数据通信接口为所述MCU处理器提供的串口通信接口。

4.如权利要求2所述的一种超声波测量系统，其特征在于：所述发射驱动单元的为由MC34151及其外围电路构成的发射驱动电路，所述接收限幅单元的型号为由LM358构成的放大电路。

所述发射换能器和所述接收换能器为发射接收一体换能器，其型号为JLT-200K-1068；显示单元为液晶显示屏，音频单元为扬声器。

5.一种超声波测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立一种超声波测量系统；

步骤2：CPU处理模块产生启动脉冲信号，并通过发射脉冲模块将启动脉冲信号传输给发射驱动单元，发射驱动单元将启动脉冲信号进行功率放大后推送给发射换能器；

步骤3：发射换能器内置发射振子，发射振子将发射驱动推送来的信号转换成超声波向外发射；

步骤4：接收换能器内置接收振子，接收振子接收超声波的目标回波，接收振子将目标回波转换成电信号，并传输给接收限幅单元；

步骤5：接收限幅单元将接收振子传输来的电信号限定在安全的幅度以内，生成待测信号，并将待测信号传输给ADC模块的输入端；

步骤6：ADC模块与接收同步单元相连，在启动脉冲信号发射后的预定时间延迟后再进行模拟数字信号转换；

ADC模块待测信号转换成源数字信号，并将源数字信号传送给数字滤波模块；

步骤7：数字滤波模块对源数字信号进行筛选，识别，抛弃无用的干扰信号，得到目标数字信号，其包括如下步骤：

步骤A：获取目标数字信号的幅度均值，设定一个均值参考值，并判断幅度均值是否大于均值参考值：大于，则舍弃目标数字信号，并执行步骤A；不大于，则执行步骤B；

步骤B：保存目标数字信号，判断目标数字信号是否小于均值参考值的二分之一：是，则舍弃目标数字信号，执行步骤A；否，则保存目标数字信号，并执行步骤C；

步骤C：设定一个限幅阈值，根据限幅阈值对目标数字信号进行限幅处理，得到限幅数字信号；

步骤D：设定一个频率阈值，频率阈值的上限为上边带，频率阈值的下限为下边带，当限幅数字信号落在上边带和下边带之间时，保存限幅数字信号，并执行步骤E；反之，则舍弃限幅数字信号并执行步骤A；

步骤E：将限幅数字信号作为滤波后的目标数字信号传送给CPU处理模块；

步骤8：CPU处理模块存储滤波后的目标数字信号，并生成历史数据；

步骤9：CPU处理模块通过串口与外设按键、遥控器或上位机进行通信，并通过显示单元显示历史数据，通过音频单元发出音频提示音。

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