CN219456509U - 一种多线程超声波雷达信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种多线程超声波雷达信号采集装置，属于多线程超声波应用技术领域。本实用新型包括主MCU、分别与主MCU并列相连的N个次MCU，还包括M路超声波处理电路，及分别与超声波处理电路相连的一个以上的超声波换能器电路，所述超声波处理电路分别与次MCU一一相连，其中，M、N均为正整数，M不大于N。本实用新型的有益效果为：实现多个超声波换能器的同时工作，提高了超声波测量的反应速度，增加了同一时间内测量结果的同步性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波雷达信号采集技术，尤其涉及一种多线程超声波雷达信号采集装置。
背景技术
超声波是一种波长极短的机械波，依赖空气、水下等介质传输，可以应用在测距、探伤等领域；目前超声波主要应用压电换能器来产生和接收超声波，通过电-机械能-声波及声波-机械能-电能的能量转换路径实现超声波的发射和接收。
超声波雷达信号在测量距离的时候，以声速进行传播及测量，速度较慢，加上超声波换能器的余震带来的无效信号，整个测量周期较大，且测量周期内，其他电路无法同时收发超声波信号，否则MCU在处理信号时，由于任务优先级的存在，低优先级的信号会被高优先级打断，造成信号丢失进而测距任务失败，这是由MCU的特性决定的，故同一时间只能处理一路超声波信号，对于提高超声波测量和反应速度无能为力。
实用新型内容
为解决现有技术中超声波发送和接收电路的多线程无法并行处理的问题，本实用新型提供一种多线程超声波雷达信号采集装置，从而提高超声波测距的反应时间，提高测量数据的同步性。
本实用新型包括主MCU、分别与主MCU并列相连的N个次MCU，还包括M路超声波处理电路，及分别与超声波处理电路相连的一个以上的超声波换能器电路，所述超声波处理电路分别与次MCU一一相连，其中，M、N均为正整数，M不大于N。
本实用新型作进一步改进，所述主MCU分别通过数据通信线与控制通信线与各个次MCU相连，其中，所述数据通信线用于传输采集的信号，所述控制通信线用于控制各个次MCU的工作状态。
本实用新型作进一步改进，所述次MCU包括通过控制通信线与主MCU相连的通信控制引脚，通过数据通信线与主MCU相连的数据通信引脚，及与超声波处理电路相连的信号收发控制引脚。
本实用新型作进一步改进，所述超声波换能器电路所述超声波处理电路包括发射电路、接收电路、发射切换开关电路及接收切换开关电路，其中，所述发射切换开关电路的输入端与发射电路的输出端相连，所述发射切换开关电路的输出端分别与超声波换能器电路的各个支路输入端相连，所述接收切换开关电路的输入端分别与超声波换能器电路各个支路的输出端相连，所述接收切换开关电路的输出端与接收电路的输入端相连，所述发射电路的输入端与接收电路的输出端分别与次MCU相连。
本实用新型作进一步改进，所述超声波换能器电路包括驱动单元和与驱动单元一端相连的换能器。
本实用新型作进一步改进，所述发射切换开关电路为一对多模拟开关，设有至少与超声波换能器电路支路数量相同的切换脚，所述切换脚与各个支路的接收端一一对应连接，以选择激发超声波的支路，所述一对多模拟开关的控制端与次MCU相连。
本实用新型作进一步改进，所述接收切换开关电路为多对一模拟开关，设有至少与超声波换能器电路支路数量相同的切换脚，所述切换脚与各个支路的发送端一一对应连接，以切换接收信号的支路，所述多对一模拟开关的控制端与MCU相连。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过设置多个次MCU，与主MCU并行连接，及主次MCU的功能划分，多个次MCU的同步工作的应用，可以实现多线程处理，实现多个超声波换能器的同时工作，提高了超声波测量的反应速度，增加了同一时间内测量结果的同步性。同时，对比FPGA方案，不需要专门的FPGA编程及烧录等工作，方案成本大大降低。
本实用新型能够解决多路超声波收发对于MCU的IO资源占用过多的问题，并且，通过在超声波处理电路中增加切换开关，使超声波信号的发射电路和接收电路体积和成本均大大降低，并且可以通过扩展切换开关的数量扩展出更多的超声波通道，有利于小型化产品体积，减少产品成本。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型次MCU电路原理图；
图3为主MCU与次MCU通过控制通信线与次MCU相连的电路原理图；
图4为主MCU与次MCU通过数据通信线与次MCU相连的电路原理图；
图5为超声波处理电路结构示意图；
图6为一对多模拟开关电路原理图；
图7为一对多模拟开关内部示意图；
图8为多对一模拟开关电路原理图；
图9为多对一模拟开关内部示意图。
实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型包括主MCU、分别与主MCU并列相连的N个次MCU，还包括M路超声波处理电路，及分别与超声波处理电路相连的一个以上的超声波换能器电路，所述超声波处理电路分别与次MCU一一相连，其中，M、N均为正整数，M不大于N。本例以N为6进行举例说明。
所述主MCU分别通过数据通信线与控制通信线与6个次MCU相连，其中，所述数据通信线用于传输采集的信号，所述控制通信线用于控制各个次MCU的工作状态。
由于MCU单线程的特性，同一时间单个MCU只能处理一个任务，对多任务实时性无法满足。因此，本例通过设置多个分别与主MCU并行连接的多个次MCU，可以根据任务需求主MCU可以控制6路次MCU作为实时性处理线程，同时，每个次MCU可以根据需要控制多个超声波换能器电路。由主MCU从控制通信总线发出的指令来确保次MCU收到的启动指令的一致性，所有次MCU在收到来自主MCU的指令后，控制超声波换能器同时开始测量工作。
如图2-图4所示，U31为其中一个次MCU，所述次MCU U31设有两个通过控制通信线与主MCU相连的通信控制引脚CONTROL_A、CONTROL_D，通过数据通信线与主MCU相连的数据通信引脚I2C_SCL、I2C_SDA，及与超声波处理电路相连的2组信号收发控制引脚P10-P11、P32，如果所述超声波换能器电路为更多路，则还可以增设控制脚。
在需要同时开启某一组超声波测距工作的前提下，由于I2C等总线需要寻址、等待应答、多次发送指令需要时间，如果采用通用总线的方式对开启时间进行控制，则会造成各个超声波换能器工作启动时间不一致，从而造成同一时间的测量距离变成不同时间的测量距离，同步性较差，测量周期变长；本实用新型采用独立增设的控制通信线来对多个超声波换能器的同步工作进行控制，通信控制引脚CONTROL_A、CONTROL_D连接的两根信号线为由主MCU发出连接所有次MCU的通信控制线，两根线的不同二进制状态代表不同的工作命令，如：00代表空闲状态，01代表次MCU开启测量，10代表次MCU向主MCU发送测量数据等。
在空闲时间，次MCU监听与之相连的控制通信线，在主MCU发出命令时，所有的次MCU可同时接收到指令，同时开启超声波换能器电路的工作，移除晶振等因素造成的差异，可实现多探头的同时开启测量。在测量完毕后，主MCU通过I2C/SPI等总线方式依次接收来自次MCU的测量结果。由于存在多个次MCU，所以同时处理多个超声波换能器的数据，大大提高了超声波测量的反应速度和测量同步性。
本实用新型通过设置多个次MCU，与主MCU并行连接，及主次MCU的功能划分，多个次MCU的同步工作的应用，可以实现多线程处理，实现多个超声波换能器的同时工作，提高了超声波测量的反应速度，增加了同一时间内测量结果的同步性。同时，对比FPGA方案，不需要专门的FPGA编程及烧录等工作，方案成本大大降低。
如图5所示，本例的超声波处理电路包括发射电路、接收电路、发射切换开关电路及接收切换开关电路，其中，所述发射切换开关电路的输入端与发射电路的输出端相连，所述发射切换开关电路的输出端分别与超声波换能器电路的各个支路输入端相连，所述接收切换开关电路的输入端分别与超声波换能器电路各个支路的输出端相连，所述接收切换开关电路的输出端与接收电路的输入端相连，所述发射电路的输入端与接收电路的输出端分别与次MCU相连。
所述超声波换能器电路包括L路驱动单元和与驱动单元一端相连的换能器，L为正整数。
本实用新型对原有的超声波处理电路进行改进创新，增设发射切换开关电路及接收切换开关电路，从而使超声波信号的发射电路和接收电路体积和成本均大大降低，并且可以通过扩展切换开关的数量扩展出更多的超声波通道，有利于小型化产品体积，减少产品成本。
如图6所示，作为本实用新型的一个优选实施例，本例的发射切换开关电路为一对多模拟开关U4，所述一对多模拟开关U4设有Y0-Y7八个切换脚，可以接8个驱动单元，通过MCU的三个引脚控制所述一对多模拟开关U4的A0-A2逻辑引脚，实现所述一对多模拟开关U4的切换。如果驱动单元数量增加，所述次MCU还可以增加引脚进行多个驱动单元的控制。本例次MCU的三个控制脚，通过逻辑关系，能够控制23也就是8个以内驱动单元的切换，如果控制单元的数量为4个，则只需要次MCU设置2个控制引脚即可。
本例的一对多模拟开关U4内部结构如图7所示，包括串联的第一开关和第二开关，所述第二开关包括设置在一端的常接端和另一端的切换脚Ch0~Ch7，所述第一开关串接在常接端，控制所述一对多模拟开关的开或关，其中，A、B、C三个逻辑引脚分别与次MCU的引脚1-3相连，可以把公用COM引脚对应连接到Ch0~Ch7，根据逻辑关系，如：ABC=000可以把COM引脚和Ch0引脚连接起来，ABC=100可以把COM引脚和Ch4引脚连接起来，从而实现Ch0~Ch7的切换。当然，本例也可以通过相似功能的拨码开关等电路实现。
此外，本例的第一开关为使能开关，用于对所述一对多模拟开关使能开或闭合，但是，该开关为非必须设置之模块，也可以直接单独只设置第二开关。
如图8所示，作为本实用新型的一个优选实施例，本例的接收切换开关电路采用多对一模拟开关U8，所述多对一模拟开关U8设有至少与超声波换能器电路支路数量相同的切换脚Y0-Y7、X0-X7，所述切换脚与各个支路的发送端一一对应连接，以切换接收信号的支路，所述多对一模拟开关的3个逻辑引脚A、B、C分别与次MCU的接收控制引脚相连，由所述次MCU控制切换。
所述多对一模拟开关U8的内部结构如图9所示，通过对A、B、C三个逻辑引脚的控制，可以控制X0~X7、Y0~Y7引脚分别连接到各自的公共引脚X_OUT/IN和Y_OUT/IN，比如：ABC=000，则公共引脚X_OUT/IN和X0、公共引脚Y_OUT/IN和Y0连接起来，X0~7、Y0~7引脚除了X0和Y0，其余引脚均断开与XOUT和YOUT的连接；如ABC=001，则公共引脚X_OUT/IN和X4、公共引脚Y_OUT/IN和Y4连接起来，X0~7、Y0~7引脚除了X1和Y1，其余引脚均断开与XOUT和YOUT的连接，依次类推，类似单刀双掷开关功能。
现有技术中，通常超声波驱动路径如下：
超声波驱动信号--发射电路--单路驱动单元--单个换能器，每一路超声波则对应一路驱动路径。
而本实用新型的超声波驱动路径则是：
超声波驱动信号--发射电路--一对多模拟开关--多路驱动单元--多个换能器，通过MCU控制一对多模拟开关的编码，打开特定的电连接，使得产生的超声波驱动信号通过一对多模拟开关驱动对应的超声波驱动单元，驱动单元再驱动对应的换能器，实现超声波的发射过程。此时不需要发射的驱动单元对应的电连接会被一对多模拟开关关闭，不影响正在驱动的换能器。
通常的超声波接收路径如下：
多个超声波探头--多个驱动单元--多个接收电路--MCU，每一路超声波对应一路接收路径。
而本实用新型中的超声波接收路径路径则为：
多个超声波探头--多个驱动单元--多对一模拟开关--单个接收电路--MCU。驱动单元返回的信号通过核心器件多对一模拟开关进行选择后到达接收电路，多选一模拟开关通过控制不同通道的电气连接的接通和关断，分时接收信号后接收电路后给到MCU进行最终处理。
一对多模拟开关、多对一模拟开关的加入，使得多路超声波的发送和接收电路大大简化，并可以通过增加模拟开关的数量，增加被驱动的超声波换能器的同时，不需要增加MCU额外的IO口和计算资源，同时大大减少PCB占用面积。
本实用新型可以通过增加模拟开关的数量拓展超声波通道，而对于只有一路采样接口的采样电路，可以外接本实用新型中的电路方案，拓展多路超声波输入采样并在单通道输出原数据的应用场景，使用本实用新型拓展电路后，拓展出多路超声波接口，拓展原有产品的应用范围。
综上所述，本实用新型通过多个次MCU和主MCU的协同工作，次MCU控制超声波收发，主MCU通过数据通信总线和额外增设的通信控制总线与次MCU相连，实现了多线程处理超声波信息的能力，加快了测量反应速度、增加了测量结果的同步性。适合多路超声波应用领域，该装置能够同时处理多路超声波信号，属于多线程技术，涉及多路超声波信号的产生、驱动、接收、处理等过程，通常可以应用在超声波测距、倒车雷达、超声波测厚仪等。
以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：包括主MCU、分别与主MCU并列相连的N个次MCU，还包括M路超声波处理电路，及分别与超声波处理电路相连的一个以上的超声波换能器电路，所述超声波处理电路分别与次MCU一一相连，其中，M、N均为正整数，M不大于N。
2.根据权利要求1所述的多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：所述主MCU分别通过数据通信线与控制通信线与各个次MCU相连，其中，所述数据通信线用于传输采集的信号，所述控制通信线用于控制各个次MCU的工作状态。
3.根据权利要求2所述的多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：所述次MCU包括通过控制通信线与主MCU相连的通信控制引脚，通过数据通信线与主MCU相连的数据通信引脚，及与超声波处理电路相连的信号收发控制引脚。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：所述超声波换能器电路所述超声波处理电路包括发射电路、接收电路、发射切换开关电路及接收切换开关电路，其中，所述发射切换开关电路的输入端与发射电路的输出端相连，所述发射切换开关电路的输出端分别与超声波换能器电路的各个支路输入端相连，所述接收切换开关电路的输入端分别与超声波换能器电路各个支路的输出端相连，所述接收切换开关电路的输出端与接收电路的输入端相连，所述发射电路的输入端与接收电路的输出端分别与次MCU相连。
5.根据权利要求4所述的多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：所述超声波换能器电路包括驱动单元和与驱动单元一端相连的换能器。
6.根据权利要求4所述的多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：所述发射切换开关电路为一对多模拟开关，设有至少与超声波换能器电路支路数量相同的切换脚，所述切换脚与各个支路的接收端一一对应连接，以选择激发超声波的支路，所述一对多模拟开关的控制端与次MCU相连。
7.根据权利要求6所述的多线程超声波雷达信号采集装置，其特征在于：所述接收切换开关电路为多对一模拟开关，设有至少与超声波换能器电路支路数量相同的切换脚，所述切换脚与各个支路的发送端一一对应连接，以切换接收信号的支路，所述多对一模拟开关的控制端与MCU相连。
Priority Applications (1)
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| CN202320207254.5U CN219456509U (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 一种多线程超声波雷达信号采集装置 |
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| CN202320207254.5U CN219456509U (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 一种多线程超声波雷达信号采集装置 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN219456509U true CN219456509U (zh) | 2023-08-01 |
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ID=87386109
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| CN202320207254.5U Active CN219456509U (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 一种多线程超声波雷达信号采集装置 |
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2023
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