CN112953474B - 应用于生物样本超声处理系统的pwm信号产生电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波电源及其应用技术领域，具体涉及用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路及方法，电路包括微控制器及其连接的电源模块、复位电路模块和振荡电路模块，在电路工作时，通过微控制器产生并输出PWM信号，包括如下步骤：根据振荡电路产生的正弦波的频率，配置微控制器内部的倍频及分频电路模块，得到微控制器的系统时钟频率；再根据系统时钟频率配置微控制器内部定时器模块的时钟频率、定时器参数，从微控制器芯片的引脚以高低电平的形式输出PWM信号。本发明硬件简洁，稳定性高，一致性好，并能明显降低故障率，能通过微控制器灵活控制PWM信号的频率、占空比、开启关闭等输出性能，可以实现多种灵活的应用。

Description

应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路及方法

技术领域

本发明涉及超声波电源及其应用技术领域，具体涉及一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路及方法。

背景技术

目前常用的超声波频率范围在20kHz～50kHz，而生物样本处理需要用到数百kHz的高频率超声波，使样本的各种性状发生变化，满足进一步分析或者测试的要求，此事需要使用一种超声波电源驱动超声换能器产生该高频超声波。因此，在超声波电源中，就需要使用能够产生信号频率在100kHz～1MHz的超声信号源，以驱动功率放大器输出对应功率的电信号。

现有技术中，20kHz～50kHz的常规超声波主要用于清洗工作中，超声信号源使用RC振荡电路产生固定频率的信号源，或者用特定的时钟电路，信号源输入到TL494等芯片产生驱动功率放大器的PWM信号，进而驱动功率放大器产生驱动超声换能器的功率电信号，但TL494等PWM芯片的频率只能达到300kHz。常规的超声波系统的频率不能全满足生物样本处理的要求，需要将频率范围提高到100kHz～1MHZ。

同时，信号源一般使用RC振荡器，产生的时钟频率为一固定值，不能灵活调整；而电阻电容等电子元器件在参数上通常有10％或更大的偏差，因此在一致性上会出现差别，导致得到的频率也会有同样的偏差。

因此，鉴于现有技术中的不足，还需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明提供一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路及方法，旨在使用微控制器内部的集成模块，为超声波电源提供超声信号源，使驱动电路模块能够驱动超声波换能器，发射对应频率的超声波。

为了实现上述效果，本发明所采用的电路的技术方案为：

一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路，用于产生PWM信号，包括：

微控制器，用于生成并输出所需的PWM信号；

电源模块，用于为微控制器供电；

复位电路模块，用于执行程序前上电复位，使执行起始位置为设定的程序地址；

振荡电路模块，用于设置微控制器的基础时钟频率。

上述公开的电路，通过向为控制器输入信号源，微控制器及其内部的定时器模，以及微控制器接入的电源模块、复位电路模块和振荡电路模块等外围电路对信号源进行处理后，可输出频率符合生物样本处理需求的信号，最终驱动超声波换能器或电机正常工作。

进一步的，电源模块的作用是为微处理器供电，可知常规的微处理器额定电压为规定电压，而外界输入的电压则为不定电压，故对电源模块的组成进行优化，便于电源模块提供稳定可靠的电压，具体的，此处举出如下可行的技术方案：所述的电源模块包括电源输入端、稳压芯片和电源输出端，所述电源输入端采用直流电源且稳压芯片将电源输入端的电压降低后输送至电源输出端，电源输出端连接至微控制器。

优选的，此处电源输出端的电压配置为3.3V，以满足现有的常规微处理器运行需求，而考虑到稳压芯片的处理性能，将电源输入端的电压配置为5V，以减少稳压芯片的处理负荷。在采用高性能的稳压芯片时，电源输入端的电压配置可扩大设置范围。

进一步的，对电源模块的组成结构继续优化，以提高电源模块的安全性，具体的：所述的稳压芯片设置接地，且稳压芯片的输入连接端和输出连接端分别设置第一隔离电容、第二隔离电容实现接地保护。

进一步的，复位电路实现上电复位，使得微处理器每次在启动对信号的处理程序时由设计的程序地址开始，处理后输出的信号更加规范，具体的：所述的复位电路模块包括第三隔离电容且第三隔离电容设置接地，还包括第一电感，所述的第一电感的前端与第三隔离电容电连接，且该端的等电势点连接至微控制器；第一电感的另一端的电势与电源模块输出端的电势相等。

进一步的，为提高振荡电路的精确度，减小误差，所述的振荡电路模块采用晶振电路，晶振电路的两个输出端分别连接至微控制器的输入引脚；晶振电路的两个输出端之间桥接有第二电感。

再进一步，微控制器产生对应的PWM信号后，输出至后续的工作模块或工作电路，由于微控制器与后续工作模块或工作电路的工作电气环境不同，故需要进行运行保护，具体的，举出如下可行的方案：所述的微控制器的输出端连接有缓冲电路模块或隔离电路模块，用于保持微控制器的电气运行环境安全。

上述内容对电路的组成进行了详细的描述，此处继续对利用该电路产生PWM信号的方法进行说明。具体如下：

一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生方法，通过微控制器产生并输出PWM信号，包括如下步骤：

配置微控制器的基础时钟频率为预设频率；

配置微控制器的定时器时钟频率并与预设频率对应；

向微控制器输入正弦波信号，并转换成方波信号输出；

通过微控制器的定时器以脉冲高电平的形式生成并输出PWM信号。

上述公开的PWM信号产生方法，以微控制器为核心，通过将输入信号转换为所需的输出信号，并按照所需频率进行输出，在定时器的脉冲信号下，微控制器输出高电平时实现信号输出，微控制器输出低电平时实现信号截止。所述的定时器的始终频率与微控制器的时钟频率对应，方便在产生PWM信号的过程中进行信号的转换，以及在输出PWM信号的过程中对高电平的控制。产生的PWM信号，最终传输给功放电路模块或驱动电路模块，参与后续设备模块的工作过程控制。

进一步的，在上述方法中，涉及所述的向微控制器输入正弦波信号，并转换成方波信号输出，其中微控制器内部电路包括寄存器、倍频单元和分频单元，用以完成正弦波信号到方波信号的转换。

进一步的，在生成的PWM信号对外输出时，可以单路输出，也可以多路互补输出，在本发明所采用的方案中进行了优化，并举出如下可行的方案：所述的方波信号以两路周期相同的互补方波信号输出。

进一步的，在生成PWM信号后，PWM信号处理后生产多路信号，具体的方式可采用如下可行的方案：所述的定时器的PWM信号频率由设置的定时器计数周期值确定，且PWM信号的占空比由设置的定时器的跳变值确定。

再进一步，处理生成的PWM信号并最终生成两路互补的方波信号的方式为：通过设置定时器的计数周期值、跳变值、互补输出及死区时间，使PWM方波信号产生PWM_P和PWM_N两路互补输出信号。

进一步的，通常微控制器的系统时钟频率在1MHz～200MHz，该频率不能直接作为PWM信号的频率，因此，通过对微控制器设置外围电路以调整其产生的PWM信号的频率，具体的，可采用如下可行的方案：所述的微控制器电连接有振荡电路模块，振荡电路模块的频率在10MHz～200MHz，且振荡电路的频率作为微控制器的基础时钟频率。

再进一步，常规的RC振荡电路由电容电阻连接组成，其信号频率的准确度和一致性不高，误差较大，因此难以满足超声电源的应用，故对振荡电路的设置进行改进，具体可采用如下可行的方案：所述的振荡电路模块采用晶振电路模块，且晶振电路模块的频率为8MHz。

优选的，所述的晶振电路模块采用石英晶振电路模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明使用数MHz的晶振，产生对应的频率信号，并通过微控制器内部集成的倍频硬件模块，可以达到几十到一百MHz的频率，再通过定时器输出100kHz-1MHz的PWM信号频率，得到的PWM频率准确，频率范围满足了生物样本的超声处理需求并能灵活调节。

2.本发明使用了常用的石英晶振电路，石英晶体振荡器的频率稳定性和准确度很高，因此误差小，输出的PWM信号频率的准确度和一致性很高，完全满足超声电源的应用。

3.本发明使用微控制器内部的集成电路模块，采用价格低廉的石英晶振，缩减了成本，并精简了硬件组成结构，在工作过程中稳定性高，一致性好，能明显降低故障率。

4.本发明通过微控制器灵活控制PWM信号的频率、占空比、开启关闭等输出性能，可以实现多种灵活的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是系统硬件架构框图及对外连接关系示意图；

图2是微控制器的外围电路的电源模块的电路示意图；

图3是微控制器的外围电路的复位电路模块的电路示意图；

图4是微控制器的部分引脚图及晶振电路示意图；

图5是微控制器的部分引脚电路图及PWM信号输出示意图；

图6是微控制器的PWM信号输出波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1

如图1～图6所示，本实施例公开了一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路，用于产生PWM信号，包括：

微控制器，用于生成并输出所需的PWM信号；

电源模块，用于为微控制器供电；

复位电路模块，用于执行程序前上电复位，使执行起始位置为设定的程序地址；

振荡电路模块，用于设置微控制器的基础时钟频率。

上述公开的电路，通过向为控制器输入信号源，微控制器及其内部的定时器模，以及微控制器接入的电源模块、复位电路模块和振荡电路模块等外围电路对信号源进行处理后，可输出频率符合生物样本处理需求的信号，最终驱动超声波换能器或电机正常工作。

在本实施例中，微控制器内预设有时钟处理电路，所述的预设频率可设置成8MHz，该频率与晶振电路模块的频率相同；此外，控制器的主时钟频率设置为72MHz。微控制器选用STM32F1系列的某一款型号，此外可选择使用其他系列的型号的微控制器替代，如PIC32系列、AVR系列，内部生成的PWM信号所用的硬件架构类似的，都能替换本技术方案所使用的微控制器。此外，还可使用80C51、ARMCortex-M、AVR等市场上主流内核架构的微控制器，系统时钟频率在1MHz-200MHz，高性能的微控制器可以运行到几百MHz甚至高达1GHz，可以对其编写程序，实现各种控制功能。

电源模块的作用是为微处理器供电，可知常规的微处理器额定电压为规定电压，而外界输入的电压则为不定电压，故对电源模块的组成进行优化，便于电源模块提供稳定可靠的电压，具体的，此处举出如下可行的技术方案：所述的电源模块包括电源输入端、稳压芯片和电源输出端，所述电源输入端采用直流电源且稳压芯片将电源输入端的电压降低后输送至电源输出端，电源输出端连接至微控制器。

本实施例中，电源模块采用5V直流电源输入，经过稳压芯片AP1117-3.3稳压到3.3V电压输出，给微控制器提供3.3V直流工作电源。

本实施例中，复位电路模块采用RC复位电路，连接到微控制器的NRST引脚，开机上电复位，复位电路模块保证上电后从设定的程序地址开始正常运行。

具体的，此处电源输出端的电压配置为3.3V，以满足现有的常规微处理器运行需求，而考虑到稳压芯片的处理性能，将电源输入端的电压配置为5V，以减少稳压芯片的处理负荷。在采用高性能的稳压芯片时，电源输入端的电压配置可扩大设置范围。

对电源模块的组成结构继续优化，以提高电源模块的安全性，具体的：所述的稳压芯片设置接地，且稳压芯片的输入连接端和输出连接端分别设置第一隔离电容、第二隔离电容实现接地保护。

复位电路实现上电复位，使得微处理器每次在启动对信号的处理程序时由设计的程序地址开始，处理后输出的信号更加规范，具体的：所述的复位电路模块包括第三隔离电容且第三隔离电容设置接地，还包括第一电感，所述的第一电感的前端与第三隔离电容电连接，且该端的等电势点连接至微控制器；第一电感的另一端的电势与电源模块输出端的电势相等。

为提高振荡电路的精确度，减小误差，所述的振荡电路模块采用晶振电路，晶振电路的两个输出端分别连接至微控制器的输入引脚；晶振电路的两个输出端之间桥接有第二电感。

微控制器产生对应的PWM信号后，输出至后续的工作模块或工作电路，由于微控制器与后续工作模块或工作电路的工作电气环境不同，故需要进行运行保护，具体的，举出如下可行的方案：所述的微控制器的输出端连接有缓冲电路模块或隔离电路模块，用于保持微控制器的电气运行环境安全。

具体的，微控制器和外围电路正常工作后，从微控制器芯片引脚输出的PWM信号通过缓冲电路模块或隔离电路模块，连接到后级的功放电路模块或驱动电路模块，功放电路模块或驱动电路模块处于强电的工作环境，通过此电路与微控制器的弱电运行环境隔离，保证微控制器在一个安全的电气环境下工作。

实施例2

如图1～图6所示，本实施例公开了一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生方法，通过微控制器产生并输出PWM信号，包括如下步骤：

配置微控制器的基础时钟频率为预设频率；

配置微控制器的定时器时钟频率并与预设频率对应；

向微控制器输入正弦波信号，并转换成方波信号输出；

通过微控制器的定时器以脉冲高电平的形式生成并输出PWM信号，定时器的IO口作为PWM信号的输出端口。

上述公开的PWM信号产生方法，以微控制器为核心，通过将输入信号转换为所需的输出信号，并按照所需频率进行输出，在定时器的脉冲信号下，微控制器输出高电平时实现信号输出，微控制器输出低电平时实现信号截止。所述的定时器的始终频率与微控制器的时钟频率对应，方便在产生PWM信号的过程中进行信号的转换，以及在输出PWM信号的过程中对高电平的控制。产生的PWM信号，最终传输给功放电路模块或驱动电路模块，参与后续设备模块的工作过程控制。

在本实施例中，微控制器内预设有时钟处理电路，所述的预设频率可设置成8MHz，该频率与晶振电路模块的频率相同；此外，控制器的主时钟频率设置为72MHz。微控制器选用STM32F1系列的某一款型号，此外可选择使用其他系列的型号的微控制器替代，如PIC32系列、AVR系列，内部生成的PWM信号所用的硬件架构类似的，都能替换本技术方案所使用的微控制器。此外，还可使用80C51、ARMCortex-M、AVR等市场上主流内核架构的微控制器，系统时钟频率在1MHz-200MHz，高性能的微控制器可以运行到几百MHz甚至高达1GHz，可以对其编写程序，实现各种控制功能。

在上述方法中，涉及所述的向微控制器输入正弦波信号，并转换成方波信号输出，其中微控制器内部电路包括寄存器、倍频单元和分频单元，用以完成正弦波信号到方波信号的转换。

在生成的PWM信号对外输出时，可以单路输出，也可以多路互补输出，在本发明所采用的方案中进行了优化，并举出如下可行的方案：所述的方波信号以两路周期相同的互补方波信号输出。

在生成PWM信号后，PWM信号处理后生产多路信号，具体的方式可采用如下可行的方案：所述的定时器的PWM信号频率由设置的定时器计数周期值确定，且PWM信号的占空比由设置的定时器的跳变值确定。

处理生成的PWM信号并最终生成两路互补的方波信号的方式为：通过设置定时器的计数周期值、跳变值、互补输出及死区时间，使PWM方波信号产生PWM_P和PWM_N两路互补输出信号。

通常微控制器的系统时钟频率在1MHz～200MHz，该频率不能直接作为PWM信号的频率，因此，通过对微控制器设置外围电路以调整其产生的PWM信号的频率，具体的，可采用如下可行的方案：所述的微控制器电连接有振荡电路模块，振荡电路模块的频率在10MHz～200MHz，且振荡电路的频率作为微控制器的基础时钟频率。

常规的RC振荡电路由电容电阻连接组成，其信号频率的准确度和一致性不高，误差较大，因此难以满足超声电源的应用，故对振荡电路的设置进行改进，具体可采用如下可行的方案：所述的振荡电路模块采用晶振电路模块，且晶振电路模块的频率为8MHz。

本实施例中，所述的晶振电路模块采用石英晶振电路模块，采用8MHZ频率的石英晶振及其配套电路，连接到微控制器的两个晶振输入引脚OSC_IN、OSC_OUT。此外，还可以使用其他外部时钟信号或时钟电路给微控制器提供时钟信号代替，频率，准确度，稳定性等性能达到同等水平。

以上即为本发明列举的实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (12)

1.一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生电路，用于产生PWM信号，其特征在于，包括：

微控制器，用于生成并输出所需的PWM信号；

电源模块，用于为微控制器供电；

复位电路模块，用于执行程序前上电复位，使执行起始位置为设定的程序地址；

振荡电路模块，用于设置微控制器的基础时钟频率，所述振荡电路模块内集成有石英制成的晶振电路，晶振电路的输出端直接连接至所述微控制器的输入引脚；

所述微控制器内设置有时钟处理电路，所述时钟处理电路的预设频率设置为所述振荡电路模块中晶振的频率；

所述的电源模块包括电源输入端、稳压芯片和电源输出端，所述电源输入端采用直流电源且稳压芯片将电源输入端的电压降低后输送至电源输出端，电源输出端连接至微控制器。

2.根据权利要求1所述的PWM信号产生电路，其特征在于：所述的稳压芯片设置接地，且稳压芯片的输入连接端和输出连接端分别设置第一隔离电容、第二隔离电容实现接地保护。

3.根据权利要求1所述的PWM信号产生电路，其特征在于：所述的复位电路模块包括第三隔离电容且第三隔离电容设置接地，还包括第一电感，所述的第一电感的前端与第三隔离电容电连接，且该端的等电势点连接至微控制器；第一电感的另一端的电势与电源模块输出端的电势相等。

4.根据权利要求1所述的PWM信号产生电路，其特征在于：所述晶振电路的两个输出端分别连接至微控制器的输入引脚；晶振电路的两个输出端之间桥接有第二电感。

5.根据权利要求1所述的PWM信号产生电路，其特征在于：所述的微控制器的输出端连接有缓冲电路模块或隔离电路模块，用于保持微控制器的电气运行环境安全。

6.一种应用于生物样本超声处理系统的PWM信号产生方法，通过微控制器产生并输出PWM信号，其特征在于，应用如权利要求1所述的PWM信号产生电路，包括如下步骤：

配置微控制器的基础时钟频率为预设频率；

配置微控制器的定时器时钟频率并与预设频率对应；

向微控制器输入正弦波信号，并转换成方波信号输出；

通过微控制器的定时器以脉冲高电平的形式生成并输出PWM信号。

7.根据权利要求6所述的PWM信号产生方法，其特征在于：所述的向微控制器输入正弦波信号，并转换成方波信号输出，其中微控制器内部电路包括寄存器、倍频单元和分频单元，用以完成正弦波信号到方波信号的转换。

8.根据权利要求6或7所述的PWM信号产生方法，其特征在于：所述的方波信号以两路周期相同的互补方波信号输出。

9.根据权利要求8所述的PWM信号产生方法，其特征在于：所述的定时器的PWM信号频率由设置的定时器计数周期值确定，且PWM信号的占空比由设置的定时器的跳变值确定。

10.根据权利要求8所述的PWM信号产生方法，其特征在于：通过设置定时器的计数周期值、跳变值、互补输出及死区时间，使PWM方波信号产生PWM_P和PWM_N两路互补输出信号。

11.根据权利要求6所述的PWM信号产生方法，其特征在于：所述的微控制器电连接有振荡电路模块，振荡电路模块的频率在10MHz～200MHz，且振荡电路的频率作为微控制器的基础时钟频率。

12.根据权利要求11所述的PWM信号产生方法，其特征在于：所述晶振电路模块的频率为8MHz。