CN111381529B - 频率控制电路、方法、装置及超声波换能器系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种频率控制电路、方法、装置及超声波换能器系统；其中，频率控制电路，包括与激励信号源输出端连接的数据采集单元，与数据采集单元连接的处理单元，处理单元与激励信号源连接；数据采集单元用于对激励信号源输出的电流、电压进行同步采样，并将得到的电流数据、电压数据传输给处理单元；处理单元用于对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；处理单元还用于将相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。本申请能够对激励信号的频率进行精准实时调节，降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本申请涉及超声波换能器技术领域，特别是涉及一种频率控制电路、方法、装置及超声波换能器系统。
背景技术
超声波换能器是一种可将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去的能量转换器件。超声波换能器被广泛应用于各种超声波设备，如超声波手术刀、超声波焊接机或超能波清洗机等。超声波设备中的超声波换能器接收激励信号源的交流电激励信号，并将其转换成机械能，以驱动相应的工作设备。
目前传统技术采用锁相环、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)控制进行超声波换能器的频率跟踪，但在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统技术电路结构复杂、控制难度大。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够简化电路结构、降低控制难度的频率控制电路、方法、装置及超声波换能器系统。
为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种频率控制电路，包括与激励信号源输出端连接的数据采集单元，与数据采集单元连接的处理单元，处理单元与激励信号源连接；
数据采集单元用于对激励信号源输出的电流、电压进行同步采样，并将得到的电流数据、电压数据传输给处理单元；
处理单元用于对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
处理单元还用于将相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。调节激励信号源中激励信号的驱动频率
在其中一个实施例中，相位差为以电压为基准的相位差；数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量；
处理单元基于数据处理结果，分别输出激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息。
在其中一个实施例中，数据采集单元为ADC采样模块；
ADC采样模块在预设采样周期内，对激励信号源的电流、电压进行预设采集点数的同步采样，得到相应采集点数的电流数据、电压数据。
在其中一个实施例中，处理单元为MCU；激励信号源包括全桥逆变器，MCU的信号输出端连接全桥逆变器；
MCU根据比较结果，向全桥逆变器传输频率调节信号；频率调节信号用于调节全桥逆变器的驱动频率；其中，频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM信号。
频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM信号一方面，本发明实施例还提供了一种频率控制方法，包括步骤：
处理单元接收数据采集单元传输的电流数据、电压数据；
处理单元对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
处理单元将相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。调节激励信号源中激励信号的驱动频率。
在其中一个实施例中，还包括步骤：
处理单元基于数据处理结果，分别输出激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息；
其中，相位差为以电压为基准的相位差；数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量。
一方面，本发明实施例提供了一种频率控制装置，包括：
数据接收模块，用于接收数据采集单元传输的电流数据、电压数据；
数据处理模块，用于对数据接收模块接收到的电流数据和电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
频率调节模块，用于将相位差和预设相位差进行比较，并根据比较结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。调节激励信号源中激励信号的驱动频率
一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一项频率控制方法的步骤。
另一方面，本发明实施例还提供了一种超声波换能器系统，包括激励信号源和连接激励信号源的超声波换能器；
还包括上述任一项频率控制电路；
数据采集单元连接激励信号源输出端；处理单元连接激励信号源。
在其中一个实施例中，数据采集单元为ADC采样模块；处理单元为MCU；
激励信号源包括依次连接的整流电路、BUCK电路、全桥逆变电路、高频变压器以及电感调谐匹配电路；整流电路用于接入外部供电；
电感调谐匹配电路分别连接超声波换能器、ADC采样模块；
MCU的信号输出端分别连接全桥逆变器、BUCK电路。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
处理单元对数据采集单元同步采样得到的电流数据、电压数据，进行FFT(FastFourier Transformation，快速傅氏变换)处理，得到数据处理结果；数据处理结果可以包括电流与电压之间的相位差；进而，处理单元比较相位差和预设相位差，并根据比较结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率、以匹配超声波换能器的谐振频率。本申请通过数据采集单元对电压、电流进行同时采集，可保证电压、电流的采集时刻一致、无时差；同时采用FFT处理电流数据、电压数据，能够获知电流和电压之间的相位差等处理结果，进而对激励信号的频率进行精准实时调节，且可获取到换能器系统的实时工作情况；本申请能够降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现，可明显降低控制难度。
附图说明
通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。
图1为一个实施例中频率控制电路的第一示意性结构框图；
图2为一个实施例中频率控制电路的第二示意性结构框图；
图3为一个实施例中频率控制方法的流程示意图；
图4为一个实施例中频率控制装置的结构框图；
图5为一个实施例中超声波换能器系统的第一示意性结构框图；
图6为一个实施例中超声波换能器系统的第一示意性结构框图；
图7为一个实施例中超声波换能器系统的第一示意性结构框图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“信号输出端”、“输出端”、“用于连接”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
超声波换能器自身具有固定频率(即谐振频率)，当激励信号的频率与超声波换能器的固有频率一致时，超声波换能器的转换效率最高，达到最佳工作频率(即，最佳工作频率可等效为谐振频率)。然而，超声波换能器在工作过程中，受自身性能、工作设备的状态和工作环境等因素的影响，其固有频率会产生变化，若固有频率与激励信号的驱动频率存在较大差异，会降低超声波换能器的转换效率，因此需要时刻去追踪激励信号的最佳驱动频率。
在具体应用中，超声波换能器在工作的时候，温度随着时间、负载的变化而上升，而超声波换能器的最佳工作频率随着温度、负载的变化而变化，因此需要时刻去自适应追踪超声波换能器的最佳工作频率，最佳工作频率等效为谐振频率。而本申请能够实时调整激励信号源的驱动频率，使激励信号源输出的驱动频率最佳，达到与谐振频率最佳的匹配效果，从而使超声波换能器的工作频率达到最佳。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种频率控制电路，包括连接激励信号源输出端的数据采集单元110，连接数据采集单元110的处理单元120；处理单元120用于连接激励信号源；
数据采集单元110用于对激励信号源的电流、电压进行同步采样，并将得到的电流数据、电压数据传输给处理单元120；
处理单元120用于对数据采集单元110采集到的电流数据和电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
处理单元120还用于将相位差和预设相位差进行比较，并根据比较结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
其中，激励信号源可以指交流电源，进而向超声波换能器传输交流电激励信号。而本申请中的超声波换能器可以应用于相应的超声外科手术装置中，例如超声切割止血刀、超声吸引刀以及超声骨刀等。本申请中的换能器系统可以包括超声波换能器与激励信号源。
具体地，数据采集单元通过对交流电采用互感器降压，再进行同步采样，得到电流数据、电压数据。在一个具体的示例中，相对于处理单元，本申请中的数据采集单元作为外部的数据采集器件，对交流电压、交流电流进行同时采样，得到电流数据、电压数据。
本申请中的数据采集单元在采集的时候电压、电流的采集时刻一致，可以保证在采集的时候无时差；而传统采用鉴相的方式或者FPGA控制的频率跟踪过程；其中，若采用处理单元集成的采集器件，例如，MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)集成的ADC(Analog-to-Digital Converter，模/数转换器或者模数转换器)采集，由于采集电压、电流，需要2路ADC通道，MCU集成ADC模块显然无法实现同时采集，实时性差。而FPGA结合外部ADC采样模块的控制较为复杂，对操作人员要求较高，且会提高换能器系统结构的复杂度。
数据采集单元可对交流电压、交流电流进行同步采样；进而，将采集到的电流数据、电压数据传输给处理单元进行处理。处理单元可对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到相位差；处理单元比较相位差和预设相位差，并根据比较的结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
此外，本申请的处理单元对采集到的电压、电流数据进行FFT处理，可以得到以电压为基准的相位差，并可以此明确当前换能器系统的效率问题；例如，相位差越大，效率越低。
需要说明的是，本申请中的FFT处理可以指的是，处理单元采用离散傅氏变换(DFT，Discrete Fourier Transform)的快速算法对电压数据、电流数据进行处理，进而得到电流与电压之间的相位差。
在一个具体的示例中，相位差为以电压为基准的相位差；数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量；
处理单元基于数据处理结果，分别输出激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息。
即，本申请中的处理单元采用FFT处理电压数据、电流数据，进而得到相应的数据处理结果，例如：信号的基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量等；其中，本申请能够基于数据处理结果，明确激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息；例如，根据谐波分量的多少，可以明确激励信号源及超声波换能器的质量：若谐波分量较多，则交流电源(即激励信号源)的质量不好。又如，电压、电流的相位差始终大于40°，则超声波手术刀出现质量问题。
而传统采用鉴相方法；鉴相即鉴别电压、电流的相位差，由此输出一个电压信号，并经过数据采集、数据处理以及换算得到相位。鉴相方法涉及标定的过程，有失精度，并不能获取到换能器系统的实时工作状态。即相较于本申请，传统技术只能得到粗略的相位差；而本申请能够获取到详细的工作参数，进而明确交流电源质量、超声波换能器及其超声波设备的实时工作情况。
本申请频率控制电路，处理单元对数据采集单元同步采样得到的电流数据、电压数据，进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果可以包括相位差；进而，处理单元比较相位差和预设相位差，并根据比较的结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率，从而实现超声波换能器的频率自适应跟踪。本申请通过数据采集单元对电压、电流进行同时采集，可保证电压、电流的采集时刻一致、无时差；同时采用FFT处理电流数据、电压数据，能够获知电流和电压之间的相位差等处理结果，进而对激励信号的频率进行精准实时调节，且可获取到换能器系统的实时工作情况；本申请能够降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现，在明显降低控制难度的同时，还可显著提高换能器系统的工作效率。
在一个实施例中，提供了一种频率控制电路，包括连接激励信号源输出端的数据采集单元，连接数据采集单元的处理单元；处理单元用于连接激励信号源；
数据采集单元对激励信号源的电流、电压进行同步采样，并将得到的电流数据、电压数据传输给处理单元；
处理单元对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
处理单元将相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
其中，如图2所示，数据采集单元可以为ADC采样模块；
ADC采样模块在预设采样周期内，对激励信号源的电流、电压进行预设采集点数的同步采样，得到相应采集点数的电流数据、电压数据。
进一步的，预设采样周期为1us；预设采集点数为1024点。
具体地，ADC采样模块可对激励信号源输出的交流电压、交流电流进行同步采样；电流、电压的采集点数各为1024点，采样周期为1us。进而，ADC采样模块将采集到的电流数据、电压数据传输给处理单元进行处理。
而处理单元获取到数据采集单元在一定周期内采集到的相应采集点数的电压数据、电流数据，经过FFT计算处理，得到电压、电流的相位差，并将经过计算得到的相位差与设定的相位差作比较，对激励信号源中激励信号的频率进行调节。
在一个具体的示例中，处理单元为MCU；激励信号源包括全桥逆变器，MCU的信号输出端连接全桥逆变器；
MCU根据比较结果，向全桥逆变器传输频率调节信号；频率调节信号用于调节全桥逆变器的驱动频率。
具体而言，如图2所示，本申请采用MCU实现处理单元的相关功能。一方面，本申请无须使用MCU集成的ADC进行电压、电流采集，而是采用外部ADC器件(即数据采集单元或ADC采样模块)对电压、电流进行同时采集，在采集的时候电压、电流的采集时刻一致，保证了在采集的时候无时差。
另一方面，传统技术采用FPGA控制；FPGA成本高，技术难度高，不易操作；具体地，FPGA的程序编写要求较高，且性能稍好的FPGA的封装为BGA(Ball Grid Array，焊球阵列封装)，增加时间成本和经济。而本申请可以采用MCU实现采集、处理与频率调节，成本低、结构简单、易于控制。
其次，本申请根据上述比较结果，调节全桥逆变器的驱动频率。由于温度、负载影响，换能器系统的谐振频率会发生实时飘逸，因此要调节逆变器的驱动频率，来靠近换能器系统的谐振频率，将两者间频率差控制得尽可能小。
逆变器的控制频率随着换能器系统的谐振频率变化而变化，进而实现自适应频率跟踪。
进一步的，频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)信号。
具体而言，本申请通过调节逆变器的PWM控制频率，来靠近换能器系统的谐振频率，将两者间频率差控制得尽可能小。逆变器PWM的控制频率随着换能器系统的谐振频率变化而变化。例如，设定相位差为20°，经过FFT计算处理，电压、电流的基波相位差大于20°，则退PWM进行调节。
本申请频率控制电路，处理单元对数据采集单元同步采样得到的电流数据、电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果可以包括相位差；进而，处理单元比较相位差和预设相位差，并根据比较的结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率，从而实现超声波换能器的频率自适应跟踪。本申请通过数据采集单元对交流电源输出的电压、电流进行同时采集，可保证电压、电流的采集时刻一致、无时差；同时采用FFT处理电流数据、电压数据，能够获知电流和电压之间的相位差等处理结果，进而对激励信号的频率进行精准实时调节，且可获取到换能器系统的实时工作情况；本申请能够降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现，且可提高换能器系统的工作效率。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种频率控制方法；本申请提供的频率控制方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，数据采集单元110连接激励信号源输出端；处理单元120用于连接该激励信号源；处理单元120与数据采集单元110相连接。
具体的，如图3所示，以该频率控制方法应用于图1中的处理单元为例进行说明，包括以下步骤：
步骤310，处理单元接收数据采集单元传输的电流数据、电压数据。
其中，电流数据、电压数据为数据采集单元对激励信号源的电流、电压进行同步采样得到。
步骤320，处理单元对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差。
步骤330，处理单元将相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
在一个具体的实施例中，还包括步骤：
处理单元基于数据处理结果，分别输出激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息；
其中，相位差为以电压为基准的相位差；数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量。
在一个具体的示例中，电流数据、电压数据为数据采集单元在预设采样周期内、进行同步采样得到的相应采集点数的电流数据、电压数据。预设采样周期为1us；采集点数为1024点。
在一个具体的实施例中，处理单元比较相位差和预设相位差，并根据比较的结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率、以匹配超声波换能器的谐振频率的步骤包括：
处理单元根据比较的结果，向全桥逆变器传输频率调节信号；频率调节信号用于调节全桥逆变器的驱动频率。
在一个具体的实施例中，频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM信号频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM信号。
上述频率控制方法，基于上述频率控制电路实现；其中，处理单元对数据采集单元同步采样得到的电流数据、电压数据，进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果可以包括相位差；进而，处理单元比较相位差和预设相位差，并根据比较的结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率、以匹配超声波换能器的谐振频率。本申请采用FFT处理电流数据、电压数据，能够获知电流和电压之间的相位差等处理结果，进而对激励信号的频率进行精准实时调节，且可获取到换能器系统的实时工作情况；本申请能够降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现，降低控制复杂度，且可提高换能器系统的工作效率。
应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种频率控制装置，包括：
数据接收模块410，用于接收数据采集单元传输的电流数据、电压数据；
数据处理模块420，用于对数据接收模块接收到的电流数据和电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
频率调节模块430，用于将相位差和预设相位差进行比较，并根据比较结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
在一个具体的实施例中，相位差为以电压为基准的相位差；数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量；
还包括，工作状态输出模块，用于基于数据处理结果，分别输出激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息。
在一个具体的实施例中，频率调节模块，用于根据比较结果，向全桥逆变器传输频率调节信号；频率调节信号用于调节全桥逆变器的驱动频率。
在一个具体的实施例中，频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM信号。
上述频率控制装置，数据处理模块对数据采集单元同步采样得到的电流数据、电压数据，进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果可以包括相位差；进而，频率调节模块比较相位差和预设相位差，并根据比较的结果，调节激励信号源中激励信号的驱动频率、以匹配超声波换能器的谐振频率。本申请采用FFT处理电流数据、电压数据，能够获知电流和电压之间的相位差等处理结果，进而对激励信号的频率进行精准实时调节，且可获取到换能器系统的实时工作情况；本申请能够降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现，可降低控制难度、且提高换能器系统的工作效率。
关于频率控制装置的具体限定可以参见上文中对于频率控制方法的限定，在此不再赘述。上述频率控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
接收数据采集单元传输的电流数据、电压数据；
对电流数据与电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
将相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
基于数据处理结果，分别输出激励信号源、超声波换能器的实时工作状态信息。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
根据比较结果，向全桥逆变器传输频率调节信号；频率调节信号用于调节全桥逆变器的驱动频率。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种超声波换能器系统，包括激励信号源510和连接激励信号源510的超声波换能器520；
还包括上述任一项频率控制电路530；
数据采集单元532连接激励信号源输出端；处理单元534连接激励信号源。
在一个具体的实施例中，如图6所示，数据采集单元为ADC采样模块；处理单元为MCU；
激励信号源包括依次连接的整流电路、BUCK电路、全桥逆变电路、高频变压器以及电感调谐匹配电路；整流电路用于接入外部供电；
电感调谐匹配电路分别连接超声波换能器、ADC采样模块；
MCU的信号输出端分别连接全桥逆变器、BUCK电路。
具体的，结合图7所示内容，本申请超声波换能器系统中的各器件的功能实现，以及相应的工作过程可以包括：
整流电路可以采用不控整流电路实现；
BUCK电路：使DC(直流)信号可调。
全桥逆变(即全桥逆变器)：将BUCK产生的直流信号变为频率可变的低压交流信号。
高频变压器：将逆变的低压交流信号升压为高压交流信号。
调谐匹配电感(即电感调谐匹配电路)：由于换能器系统在工作时呈容性，需要将整个系统向阻抗靠近，因此需要匹配电感来抵消容抗。
AD采集(也即ADC采样模块)：对交流电压、交流电流进行同步采样，电流、电压的采集点数各为1024点，采样周期为1us。
MCU控制器：将采集到的电压、电流数据进行FFT计算，得到以电压为基准的相位差。
具体而言，采用本申请提供的超声波换能器系统，可以实现如下流程：
1、通过对交流电采用互感器降压，再进行AD采集，获得电流、电压值。
2、MCU在一定周期内采集到一定的点数，经过FFT处理，以电压为基准，得到电压、电流的相位差，并可以此明确当前换能器系统的效率问题。
3、经过计算得到的相位差与设定的相位差作比较，对PWM进行调节。
本申请经过FFT处理可得到丰富信息，如：基波幅值，谐波幅值，谐波频率，由谐波分量的多少，由此可以知道电源的质量及超声刀的好坏；对于MCU控制器，本申请采用外部ADC器件对电压、电流进行同时采集。因此在采集的时候电压、电流的采集时刻一致，保证了在采集的时候无时差。
相较于传统采用FPGA控制，成本高，技术难度高，不易操作；本申请采用MCU采集和控制，成本低、结构简单、易于控制。
本申请通过对电压、电流进行同时采集，可保证电压、电流的采集时刻一致、无时差；同时采用FFT处理电流数据、电压数据，能够获知电流和电压之间的相位差等处理结果，进而对激励信号的频率进行精准实时调节，且可获取到换能器系统的实时工作情况；本申请能够降低系统要求、节约成本，且结构简单，易于实现，可提高换能器系统的工作效率。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的设备、元器件的限定，具体的设备、元器件可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种频率控制电路，其特征在于，包括与激励信号源输出端连接的数据采集单元，与所述数据采集单元连接的处理单元，所述处理单元与所述激励信号源连接；其中，所述数据采集单元为独立于所述处理单元的器件；所述处理单元为MCU；
所述数据采集单元用于对所述激励信号源输出的电流、电压进行同步采样，并将得到的电流数据、电压数据传输给所述处理单元；所述激励信号源输出的电流、电压为所述激励信号源输出的交流电压、交流电流经互感器降压后得到；
所述处理单元用于对所述电流数据与所述电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；所述数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
所述处理单元还用于将所述相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节所述激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的频率控制电路，其特征在于，所述相位差为以电压为基准的相位差；所述数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量；
所述处理单元基于所述数据处理结果，分别输出所述激励信号源、所述超声波换能器的实时工作状态信息。
3.根据权利要求1所述的频率控制电路，其特征在于，所述数据采集单元为ADC采样模块；
所述ADC采样模块在预设采样周期内，对所述激励信号源的电流、电压进行预设采集点数的同步采样，得到相应采集点数的电流数据、电压数据。
4.根据权利要求1至3任一项所述的频率控制电路，其特征在于，所述激励信号源包括全桥逆变器，所述MCU的信号输出端连接所述全桥逆变器；
所述MCU根据所述比较结果，向所述全桥逆变器传输频率调节信号；所述频率调节信号用于调节所述全桥逆变器的驱动频率；其中，所述频率调节信号为驱动频率与激励信号占空比可变的PWM信号。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的频率控制电路的频率控制方法，其特征在于，包括步骤：
所述处理单元接收所述数据采集单元传输的电流数据、电压数据；
所述处理单元对所述电流数据与所述电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；所述数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
所述处理单元将所述相位差与预设相位差进行比较，并根据比较结果调节所述激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配超声波换能器的谐振频率。
6.根据权利要求5所述的频率控制方法，其特征在于，还包括步骤：
所述处理单元基于所述数据处理结果，分别输出所述激励信号源、所述超声波换能器的实时工作状态信息；
其中，所述相位差为以电压为基准的相位差；所述数据处理结果还包括基波幅值、谐波幅值、谐波频率以及谐波分量。
7.一种频率控制装置，其特征在于，所述装置应用于权利要求1至4中任一项所述的频率控制电路中的所述处理单元，所述装置包括：
数据接收模块，用于接收数据采集单元传输的电流数据、电压数据；
数据处理模块，用于对所述数据接收模块接收到的所述电流数据和所述电压数据进行FFT处理，得到数据处理结果；所述数据处理结果包括电流与电压之间的相位差；
频率调节模块，用于将所述相位差和预设相位差进行比较，并根据比较结果，调节所述激励信号源中激励信号的驱动频率，以匹配所述超声波换能器的谐振频率。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5或6所述的方法的步骤。
9.一种超声波换能器系统，其特征在于，包括激励信号源和连接所述激励信号源输出端的超声波换能器；
还包括如权利要求1至4任一项所述的频率控制电路；
所述数据采集单元连接所述激励信号源输出端；所述处理单元连接所述激励信号源。
10.根据权利要求9所述的超声波换能器系统，其特征在于，所述数据采集单元为ADC采样模块；
所述激励信号源包括依次连接的整流电路、BUCK电路、全桥逆变电路、高频变压器以及电感调谐匹配电路；所述整流电路用于接入外部供电；
所述电感调谐匹配电路分别连接所述超声波换能器、所述ADC采样模块；
所述MCU的信号输出端分别连接所述全桥逆变器、所述BUCK电路。
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