CN112114048B - 一种基于arm微控制器的多通道大功率脉冲声发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，包括：ARM型微处理器最小系统，ARM型微处理器最小系统包括PWM方波发生模块，PWM方波发生模块用于生成PWM方波信号；方波整形模块，其输入端与ARM型微处理器最小系统的输出端相连接，方波整形模块用于接收PWM方波信号，并通过方波整形电路对PWM方波信号进行处理；脉冲信号调理模块，脉冲信号调理模块的输入端与方波整形模块的输出端相连接，脉冲信号调理模块通过脉冲信号调理电路将消除尖刺后信号的调制成尖脉冲波；前置放大模块，前置放大模块的输入端与脉冲信号调理模块的输出端相连接；功放模块，功放模块的输入端与前置放大模块的输出端相连接；以及扬声器，其与功放模块的输出端相连接。
Description
技术领域
本发明涉及声波处理技术领域，具体涉及一种基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器。
背景技术
当前我国已经开展了众多的利用声学特征的无损检测技术，常规超声检测、非接触超声检测（空气耦合超声检测、激光超声检测、电磁超声检测）、敲击法（声冲击法）、声阻法等，基于超声的无损检测种类繁多、应用广泛，但是可听声频率范围内的声波检测技术相对来说就比较少见，本文基于ARM的多通道大功率脉冲声发射器所产生的是频率为428Hz可听声的脉冲声波。
基于ARM的多通道大功率脉冲声发射器是用于管道无损检测领域，既然是用于检测，那就对声的传输距离和声压级的有效性有一定要求。决定声波传输距离和声压级有效性的是声波频率和声波的发射功率，对这两者有一定的指标要求。由于高频声波衰减快，比如超声波测距技术目前最远检测距离在10米左右。而低频声波虽传输远，对人体可能会有伤害，不适用于一般的民用检测技术。那么最终我们选择了人耳可听声做为检测声波，但是可听声因为发散性比较大，在空气中的衰减比较大，又因为采用可听声做为检测手段，可能会存在噪音污染等问题。
因此，本发明提出一种基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，以解决现有技术的可听声传输距离、声压级有效性以及避免噪声污染的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其能够现有技术的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，包括：ARM型微处理器最小系统，ARM型微处理器最小系统包括PWM方波发生模块，PWM方波发生模块用于生成PWM方波信号；方波整形模块，方波整形模块的输入端与ARM型微处理器最小系统的输出端相连接，方波整形模块用于接收PWM方波信号，并通过方波整形电路对PWM方波信号进行处理，以消除高频谐波的尖刺；脉冲信号调理模块，脉冲信号调理模块的输入端与方波整形模块的输出端相连接，脉冲信号调理模块通过脉冲信号调理电路将消除尖刺后信号的调制成尖脉冲波；前置放大模块，前置放大模块的输入端与脉冲信号调理模块的输出端相连接；功放模块，功放模块的输入端与前置放大模块的输出端相连接，其中，前置放大模块和功放模块用于提升尖脉冲波的输出波形的幅值；以及扬声器，其与功放模块的输出端相连接，扬声器由功放模块输出的信号推动发声。
在一优选实施方式中，ARM型微处理器最小系统采用STM32F10ZET6芯片，ARM型微处理器最小系统包括电源电路、时钟源电路、启动电路、SWD调试接口电路以及复位电路，时钟源电路、启动电路、SWD调试接口电路以及复位电路分别与STM32F10ZET6芯片的相应接口连接，STM32F10ZET6芯片微控制器通过配置定时器时钟分频、定时周期，开启定时器第一通道和第二通道的管脚重映射，分别通过第一通道的IO端口和第二通道的IO端口产生两路频率和占空比可调的PWM方波信号。
在一优选实施方式中，脉冲信号调理电路采用三阶微分电路。
在一优选实施方式中，前置放大模块采用两片运放NE5532芯片组成两级放大电路，第一级放大电路包括第一NE5532芯片、第一电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻，第二级放大电路包括第二NE5532芯片、第二电容、第四电阻、第五电阻和第六电阻，其中，第一NE5532芯片的第一管脚连接第二电容，第一NE5532芯片的第二管脚连接第一电阻、第一电容，第一NE5532芯片的第二管脚与第一管脚之间连接第二电阻，第一NE5532芯片的第三管脚连接第三电阻。
在一优选实施方式中，第二NE5532芯片的第二管脚接第四电阻、第二电容，第二NE5532芯片的第二管脚与第一管脚之间接第五电阻，第二NE5532芯片的第三管脚接第六电阻。
在一优选实施方式中，第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻的大小分别为10kΩ、50kΩ、10kΩ和20kΩ，两级放大电路的放大倍数达到10倍。
在一优选实施方式中，功放模块采用LM3886音频放大器，LM3886音频放大器后接150W的2N3771和2N6050大功率管，以使得功放电路的放大功率达到300W，且为扬声器功率的1.5倍，其中，LM3886音频放大器的第一管脚和第二管脚之间连接第七电阻、第八电阻，第七电阻、第八电阻的电阻值分别为3.3kΩ和47kΩ，以使得功放电路的放大倍数达到15.5倍。
在一优选实施方式中，STM32F10ZET6芯片微控制器通过设置分频系数为3，设置定时器的输入频率为18MHz，并且设置定时器自动重载计时周期值为42000，以使输出的PWM波形的频率为428Hz。
在一优选实施方式中，通过设置待装入捕获比较寄存器的值为21000，使第一通道和第二通道的PWM方波的输出占空比为50%。
在一优选实施方式中，扬声器选用150w、100dB灵敏度的喇叭型扬声器。
与现有技术相比，本发明的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器的有益效果如下：本发明由ARM微控制器通过对通用定时器的配置,配置定时器时钟分频、定时周期，开启定时器通道的管脚重映射，分别通过两个通道的IO端口产生两路频率和占空比可调的PWM方波信号，PWM方波信号输入到方波整形模块，消除高频谐波的尖刺后，再输入到脉冲信号调理模块调制成尖脉冲波，尖脉冲波输入至后续的放大电路和功放电路，提升输出波形的幅值至10V以上，保证声波波形的输出品质和精度，最后，由功放电路输出的信号推动扬声器发声。本发明采用上述基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，可产生在检测范围内声压级达到60dB以上、频率为428Hz的尖脉冲波，为声脉冲波在无损检测技术领域的进一步发展打下良好基础。
附图说明
图 1为本发明优选实施方式的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器的硬件示意图。
图2 为本发明优选实施方式的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器的ARM型微处理器最小系统的示意图。
图3 为本发明优选实施方式的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器的放大电路的示意图。
图4 为本发明优选实施方式的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器的功放电路的示意图。
图5为本发明优选实施方式的微分电路示意图。
图6为本发明优选实施方式的三阶微分电路示意图。
图7为本发明优选实施方式的虚拟示波器三阶微分电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1-2所示，根据本发明优选实施方式的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，包括：ARM型微处理器最小系统101、方波整形模块102、脉冲信号调理模块103、前置放大模块104、功放模块105以及扬声器106。其中，ARM型微处理器最小系统101包括PWM方波发生模块，PWM方波发生模块用于生成PWM方波信号。方波整形模块102的输入端与ARM型微处理器最小系统101的输出端相连接，方波整形模块102用于接收PWM方波信号，并通过方波整形电路对PWM方波信号进行处理，以消除高频谐波的尖刺。脉冲信号调理模块103的输入端与方波整形模块102的输出端相连接，脉冲信号调理模块103通过脉冲信号调理电路将消除尖刺后信号的调制成尖脉冲波。前置放大模块104的输入端与脉冲信号调理模块103的输出端相连接。功放模块105的输入端与前置放大模块104的输出端相连接，其中，前置放大模块104和功放模块105用于提升尖脉冲波的输出波形的幅值。扬声器106与功放模块105的输出端相连接，扬声器106由功放模块105输出的信号推动发声。
在一优选实施方式中，如图1-2所示，ARM型微处理器最小系统采用STM32F10ZET6芯片201，ARM型微处理器最小系统包括电源电路202、时钟源电路203、启动电路204、SWD调试接口电路205以及复位电路206，时钟源电路203、启动电路204、SWD调试接口电路205以及复位电路206分别与STM32F10ZET6芯片201的相应接口连接，STM32F10ZET6芯片微控制器通过配置定时器时钟分频、定时周期，开启定时器第一通道和第二通道的管脚重映射，分别通过第一通道的IO端口GPIOA 107和第二通道的IO端口GPIOB 108产生两路频率和占空比可调的PWM方波信号。
在一优选实施方式中，脉冲信号调理电路采用三阶微分电路。原理为：微分电路可以把矩形波形转换为尖脉冲波，微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出，而对恒定部分则没有输出，微分电路示意图如图5所示。PWM方波信号，经如图6所示的三阶微分电路后，可将PWM方波整形为比较规整的尖脉冲波，如图7虚拟示波器所示。输出的尖脉冲波形的宽度与RC有关，RC越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽，即如果C很小，在方波跳变时，电容器C 被迅速充电至其端电压，则尖脉冲后沿的走势越陡，如图7所示，A点、B点及OUT点分别为一阶微分、二阶微分和三阶微分电路后的波形，可以观察不同的RC常数下，脉冲后沿的走势差异。可以观察到随着阶数的递增，尖脉冲形状越规整。为了使脉冲波形远远少于输入方波波形的宽度，RC应少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了。
在一优选实施方式中，如图3所示，前置放大模块采用两片运放NE5532芯片组成两级放大电路，第一级放大电路包括第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第二级放大电路包括第二电容C2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。其中，第一NE5532芯片的第一管脚1连接第二电容C2，第一NE5532芯片的第二管脚2连接第一电阻R1、第一电容C1，第一NE5532芯片的第二管脚2与第一管脚1之间连接第二电阻R2，第一NE5532芯片的第三管脚3连接第三电阻R3。
在一优选实施方式中，第二NE5532芯片的第二管脚6接第四电阻R4、第二电容C2，第二NE5532芯片的第二管脚6与第一管脚4之间接第五电阻R 5，第二NE5532芯片的第三管脚5接第六电阻R6。在一优选实施方式中，第一电阻R2、第二电阻R2、第四电阻R4、第五电阻R5的大小分别为10kΩ、50kΩ、10kΩ和20kΩ，两级放大电路的放大倍数可以达到10倍。
在一优选实施方式中，功放模块采用LM3886音频放大器，LM3886音频放大器后接150W的2N3771和2N6050大功率管，以使得功放电路的放大功率达到300W，且为扬声器功率的1.5倍。其中，LM3886音频放大器的第一管脚7和第二管脚8之间连接第七电阻R37、第八电阻R39，第七电阻R37、第八电阻R39的电阻值分别为3.3kΩ和47kΩ，以使得功放电路的放大倍数达到15.5倍。如图4所示，由Q5和Q4构成互补推挽输出式放大器，Q5是NPN型三极管，Q4是PNP型三极管，推动级与功放输出级之间采用直接耦合电路，所以两级放大器之间直流电路相互影响。接通直流工作电源瞬间，电压经R41给Q5基极提供偏置电压，使Q5发射极具备直流电压，这一电压经互补推挽放大器在没有信号输入时，放大器输出级截止，不但没有信号功率输出，连直流静态工作电流也没有，这就使放大器的静态功率消耗降到最低，大大提高了效率。如图5所示，当Ai一个周期的正弦波信号到来时，正半周信号使Q5导通，形成输出电流i1，负半周信号使Q4导通，形成输出电流i2，这两个方向相反的输出电流加在负载R23和扬声器上，重新形成一个周期的正弦波信号Vo，这个信号就是驱动扬声器发声的电信号。
在一优选实施方式中，STM32F10ZET6芯片微控制器通过设置分频系数为3，设置定时器的输入频率为18MHz，并且设置定时器自动重载计时周期值为42000，以使输出的PWM波形的频率为428Hz。
在一优选实施方式中，通过设置待装入捕获比较寄存器的值为21000，使第一通道和第二通道的PWM方波的输出占空比为50%。
在一优选实施方式中，扬声器选用150w、100dB灵敏度的喇叭型扬声器。
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 (6)
1.一种基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其特征在于：所述基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器包括：
ARM型微处理器最小系统，所述ARM型微处理器最小系统包括PWM方波发生模块，所述PWM方波发生模块用于生成PWM方波信号；
方波整形模块，所述方波整形模块的输入端与所述ARM型微处理器最小系统的输出端相连接，所述方波整形模块用于接收所述PWM方波信号，并通过方波整形电路对所述PWM方波信号进行处理，以消除高频谐波的尖刺；
脉冲信号调理模块，所述脉冲信号调理模块的输入端与所述方波整形模块的输出端相连接，所述脉冲信号调理模块通过脉冲信号调理电路将消除尖刺后信号的调制成尖脉冲波；
前置放大模块，所述前置放大模块的输入端与所述脉冲信号调理模块的输出端相连接；
功放模块，所述功放模块的输入端与所述前置放大模块的输出端相连接，其中，所述前置放大模块和所述功放模块用于提升所述尖脉冲波的输出波形的幅值；以及
扬声器，其与所述功放模块的输出端相连接，所述扬声器由所述功放模块输出的信号推动发声，并可产生在检测范围内声压级达到60dB以上、频率为428Hz的尖脉冲波；
所述ARM型微处理器最小系统采用STM32F103ZET6芯片，所述ARM型微处理器最小系统包括电源电路、时钟源电路、启动电路、SWD调试接口电路以及复位电路，所述时钟源电路、启动电路、SWD调试接口电路以及复位电路分别与STM32F103ZET6芯片的相应接口连接，STM32F103ZET6芯片微控制器通过配置定时器时钟分频、定时周期，开启定时器第一通道和第二通道的管脚重映射，分别通过所述第一通道的IO端口和所述第二通道的IO端口产生两路频率和占空比可调的PWM方波信号；
所述脉冲信号调理电路采用三阶微分电路；
所述前置放大模块采用两片运放NE5532芯片组成两级放大电路，第一级放大电路包括第一电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻，第二级放大电路包括第二电容、第四电阻、第五电阻和第六电阻，其中，第一NE5532芯片的第一管脚连接所述第二电容，所述第一NE5532芯片的第二管脚连接所述第一电阻、第一电容，所述第一NE5532芯片的所述第二管脚与第一管脚之间连接第二电阻，所述第一NE5532芯片的第三管脚连接第三电阻；
所述STM32F103ZET6芯片微控制器通过设置分频系数为3，设置定时器的输入频率为18MHz，并且设置定时器自动重载计时周期值为42000，以使输出的PWM波形的频率为428Hz。
2.根据权利要求1所述的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其特征在于：第二级放大电路包括第二电容、第四电阻、第五电阻和第六电阻，第二NE5532芯片的第二管脚接第四电阻、第二电容，所述第二NE5532芯片的第二管脚与第一管脚之间接第五电阻，所述第二NE5532芯片的第三管脚接第六电阻。
3.根据权利要求2所述的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其特征在于：所述第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻的大小分别为10kΩ、50kΩ、10kΩ和20kΩ，所述两级放大电路的放大倍数达到10倍。
4.根据权利要求1所述的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其特征在于：所述功放模块采用LM3886音频放大器，所述LM3886音频放大器后接150W的2N3771和2N6050大功率管，以使得功放电路的放大功率达到300W，且为所述扬声器功率的1.5倍，其中，所述LM3886音频放大器的第一管脚和第二管脚之间连接第七电阻、第八电阻，所述第七电阻、第八电阻的电阻值分别为3.3kΩ和47kΩ，以使得功放电路的放大倍数达到15.5倍。
5.根据权利要求1所述的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其特征在于：通过设置待装入捕获比较寄存器的值为21000，使第一通道和第二通道的PWM方波的输出占空比为50%。
6.根据权利要求5所述的基于ARM微控制器的多通道大功率脉冲声发生器，其特征在于：所述扬声器选用150w、100dB灵敏度的喇叭型扬声器。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN112114048A (zh) | 2020-12-22 |
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