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  • 项目分享:基于STM32超声波避障小车

    不管是对于初学者还是对于一个玩过单片机的电子爱好者来说,或多或少都接触到过小车项目,今天给大家介绍的的一个项目 基于STM32超声波避障小车 。这也是我曾经的一个课设,在此开源分享给大家,全文5000多字,干货满满,加油读完 ,保证你收货多多 话不多说先来看视频 处理器电路设计 单片机是系统的CPU,是系统稳定、正常运行的重要前提,以下为单片机选型的两种方案: (1)传统的8位单片机,是通过超大规模集成电路对其进行集成为一个独立芯片的控制器。内部组件包括CPU、随机存储器、只读存储器、I/O接口、中断系统、计时器、串口通讯、数模转换等。STC89C52单片机是最常见的51单片机,但是资源较少,精确度低,处理速度相比STM32单片机差很多。 (2)使用目前市面上最常见的STM32单片机,STM32系列单片机可分为ARMCortex-M3内核体系结构的不同应用领域。它可分为STM32F1系列和STM32F4系列,STM32F1系列单片机时钟频率最高可达72米,在同一产品中性能最好。单片机的基本处理速度为36米,16位单片机的性能也很好。微晶片的内建快闪记忆体相当大,范围从32kb到512kb,可视需要选择。单个设备的功耗非常低,仅360mA,32位单片机产品的功耗最低,每兆赫只有0.5安培。特别值得一提的是,内接单晶片汇流排是一种Harvard架构,可执行速度高达1.25 DMIPS/MHz的指令。此芯片越来越多地被用作主要控制器。    通过对单片机的资源和处理时间的速度我们采用选择STM32103C8T6为本系统主控芯片,程序下载是只需要一个JLINK就可以轻松完成。控制器模块电路如下所示: 电源模块设计 本设计采用锂电池供电, 模块的供电电压一般都为5V,同时超声波模块需要较大的电流才能正常工作,所以在降压的基础上也要保证足够大的输出电流。本设计采用可调输出版本,模块的输入电压范围广,输出电压在1.25V-35V内可调,电压转换效率高,输出纹波小。降压电路如下所示: 电机驱动模块设计 要完成转向是能够利用单片机实现的,然而单片机I0的带负载能力弱,因此我们选择了大功率放大器件TB6612FNG。TB6612FNG是采用MOSFET-H桥结构的双通道大电流电路输出,可以控制2个电机的驱动。相比普通的电机驱动,外围电路非常简单,只需要一个芯片和一个钽电容进行PWM输出滤波,系统尺寸小。PWM信号输入频率范围广,轻松满足本设计的需求。     电机驱动引脚表 1控制芯片:TB6612 2控制芯片数量:2 3    1号TB6612引脚分配: 4     VM         PWMA--------->TIM1_CH1(PA8) 5     VCC        AIN2--------->GPIOB_12 6     GND        AIN1--------->GPIOB_13 7     AO1        STBY--------->GPIOB_14 8     AO2        BIN1--------->GPIOB_15 9     BO2        BIN2--------->GPIOA_1210     BO1        PWMB--------->TIM1_CH2(PA9)11     GND        GND12    2号TB6612引脚分配:13     VM         PWMA--------->TIM1_CH3(PA10)14     VCC        AIN2--------->GPIOB_515     GND        AIN1--------->GPIOB_616     AO1        STBY--------->GPIOB_717     AO2        BIN1--------->GPIOB_818     BO2        BIN2--------->GPIOA_919     BO1        PWMB--------->TIM1_CH4(PA11)20     GND        GND21真值表22     AIN1   0     1     0     123     AIN2   0     0     1     124     BIN1   0     1     0     125     BIN2   0     0     1     126           停止  正转  反转  刹车 电机所用到的定时器配置 1//初始化TIMX,设置TIMx的ARR,PSC 2//arr:自动重装载初值,psc为预分频值,两者配合控制定时器时钟的周期 3//定时器选择TIM1 4static void TB6612_ADVANCE_TIM1_Mode_Config(TIM_TypeDef* TIMx,uint16_t arr,uint16_t psc,uint16_t duty) 5{ 6    //-----------------时基结构体初始化-------------------------/ 7    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeStructure; 8    /*开启定时器1时钟,即内部时钟CK_INT=72M*/ 9    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);10    TIM_DeInit(TIMx);11    /*内部时钟作为计数器时钟,72MHZ*/12    TIM_InternalClockConfig(TIMx);13    /*自动重装载寄存器的值,累计TIM_Period+1个频率后产生一个更新或者中断*/14    TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr;15    /*时钟预分频系数为71,则驱动计数器的时钟CK_CNT=CK_INT/(71+1)=1MHZ*/16    TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1;17    /*设置时钟分割,TIM_CKD_DIV1=0,PWM波不延时*/18    TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;19    /*向上计数模式*/20    TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;21    /*重复计数器*/22    TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0;23    /*初始化定时器*/24    TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure);25    /*使能ARR预装载寄存器(影子寄存器)*/26    TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE);27    //-----------------输出比较结构体初始化-----------------------/28    TIM_OCInitTypeDef   TIM_OCInitStructure;29    /*PWM模式设置,设置为PWM模式1*/30    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;31    /*PWM输出使能相应的IO口输出信号*/32    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;33    /*设置占空比大小,CCR1[15:0]: 捕获/比较通道1的值,若CC1通道配置为输出:CCR1包含了装入当前捕获/比较1寄存器的值(预装载值)。*/34    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty;35    /*输出通道电平极性设置*/36    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;37    /*初始化输出比较参数*/38    TIM_OC1Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道139    TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道240    TIM_OC3Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道341    TIM_OC4Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道442    /*自动重装载*/43    TIM_OC1PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable);44    TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable);45    TIM_OC3PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable);46    TIM_OC4PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable);47    /*使能计数器*/48    TIM_Cmd(TIMx,ENABLE);49    /*主输出使能,如果设置了相应的使能位(TIMx_CCER寄存器的CCxE、CCxNE位),则开启OC和OCN输出。*/50    TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE);    51}52//高级定时器输出通道初始化函数53static void TB6612_ADVANCE_TIM_Gpio_Config()54{55    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;56    /*----------通道1配置--------------*/57    /*定时器1输出比较通道*/58    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);59    /*配置为复用推挽输出*/60    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;61    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;62    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;63    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);64    /*-----------通道二配置-------------*/65    /*定时器1输出比较通道*/66    /*配置为复用推挽输出*/67    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;68    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11;69    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;70    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);71     /*-----------通道三配置-------------*/72    /*定时器1输出比较通道*/73    /*配置为复用推挽输出*/74    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;75    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;76    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;77    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);78     /*-----------通道四配置-------------*/79    /*定时器1输出比较通道*/80    /*配置为复用推挽输出*/81    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;82    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;83    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;84    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);85} 超声波模块 采用HC-SR04超声波模块,该芯片具有较高的集成度以及良好的稳定性,测度距离十分精确,十分稳定。供电电压为DC5V供电电流小于10mA,探测距离为0.010m-3.5m一共有四个引脚VCC(DC5V)、Triger(发射端)、Echo(接收端)、GND(地)。HC-SR04实物图如下: 该模块是利用单片机的IO触发电平测距,单片机内部利用普通定时器产生一个高电平信号之后,超声波就可以自主发送频率为40khz的方波,然后等待信号的返回;若有信号返回,单片机IO口就立刻输出一高电平,利用高电平产生的时间可以计算小车与障碍物的距离。最终距离就是高电平持续时间乘以声音在空气中传播的速度再除以2,可以反复测量距离。   在程序开始首先初始化超声波,利用定时器并设置时基的自动重装载初值1000,psc为预分频值72,这样的话我们产生一次中断的时间是1ms,并设置抢占优先级0,子优先级3。HC_SR04_Echo引脚接收到高电平,打开定时器,且每1ms进入一次中断。在测量时首先让Trig发送一个大于10us的高电平,然后拉高HC_SR04_Trig,当Echo为0时打开定时器计时,当Echo为1时关闭定时器,通过公式计算距离。 模块工作原理:(1)单片机触发引脚,输出高电平信号;(2)模块发送端自动发送特定频率的方波;(3)如果有信号返回,通过IO输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波的发射时长;(4)测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。 注意:在硬件操作上需要首先让模块地端先连接,否则会影响模块工作。测距时,被测物体的摆放不能太过于杂乱,否则会影响测试结果。 超声波重要代码(可参考) 1/* 获取接收到的高电平的时间(us*/ 2uint32_t Get_HC_SR04_Time(void) 3{ 4    uint32_t t=0; 5    t=Acoustic_Distance_Count*1000;//us 6    t+=TIM_GetCounter(TIM2);//获取us 7    TIM2->CNT =0; 8    Acoustic_Distance_Count=0; 9    Systic_Delay_us(100);10    return t;11}12/*获取距离*/13void Get_HC_SR04_Distance(void)14{15    static uint16_t count=0;16    switch(count)17    {18        case 1:19        {20            GPIO_SetBits(Acoustic_Port,HC_SR04_Trig);//Trig发送一个大于10us的高电平21        }break;2223        case 15:24        {25            count=0;26            GPIO_ResetBits(Acoustic_Port,HC_SR04_Trig);27            while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==0);//当Echo为0时打开定时器 计时28            Open_Tim2();29            while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==1);//当Echo为0时打开定时器 计时30            Close_Tim2();31            HC_SR04_Distance=(float)(Get_HC_SR04_Time()/5.78);3233        }break;34        default:break;35    }36    count++;37} 舵机模块      本系统使用的是SG90型号的舵机,舵机是一种常见的角度驱动器,本系统需要判断不同位置的障碍物可以且对转向的力度小。舵机可以理解为方向盘称,方向盘是一个常见的名字。它实际上是一个伺服马达。舵机实物图如下: 舵机模块接口简单,舵机模块只有三个引脚。分别引引出了三根线左右两边是电源正负接口线,中间一根是PWM信号线直接连接单片机的控制引脚。通过控制单片机的引脚输出的脉冲宽度进而控制舵机旋转的角度。舵机每增加0.1ms 舵机对应增加9度。 0.5ms---------0 1.0ms---------45   1.5ms---------90 2.0ms---------135 2.5ms-----------180    20ms的时基脉冲,如果想让舵机转90度,就应该发生一个高电平持续时间为1.5ms,周期为20ms的方波,duty=1.5/20=7.5%。在这里设置定时器自动重装载寄存器arr的值为1000,所以当占空比为百分之75是,在程序中就要设置占空比为75/1000=7.5%, 这就是具体的算法。 舵机重要代码(可参考) 1/**PWM引脚初始化*/ 2static void SERVO_Gpio_Init(void) 3{ 4    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct; 5    /*----------通道2配置--------------*/ 6    /*定时器3输出比较通道*/ 7    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); 8    /*配置为复用推挽输出*/ 9    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;10    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7;11    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;12    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); 13}14//定时器3初始化,设置TIMx的ARR,PSC15//arr:自动重装载初值,psc为预分频值,两者配合控制定时器时钟的周期16static void SERVO_TIM_Config(TIM_TypeDef* TIMx,uint16_t arr,uint16_t psc,uint16_t duty)17{18    //-----------------时基结构体初始化-------------------------/19    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeStructure;20    /*开启定时器3时钟,即内部时钟CK_INT=72M*/21    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);22    TIM_DeInit(TIMx);23    /*内部时钟作为计数器时钟,72MHZ*/24    TIM_InternalClockConfig(TIMx);25    /*自动重装载寄存器的值,累计TIM_Period+1个频率后产生一个更新或者中断*/26    TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr;//1000 当定时器从0计数到999,即1000次,为一个定时周期27    /*时钟预分频系数为71,则驱动计数器的时钟CK_CNT=CK_INT/(1440-1+1)=0.05MHZ*/28    TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1;;//1400  //即定时器的频率为5KHZ   29    /*设置时钟分割,TIM_CKD_DIV1=0,PWM波不延时*/30    TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;31    /*向上计数模式*/32    TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;33    /*重复计数器*/34    TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0;35        /*初始化定时器*/36    TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure);37    /*使能ARR预装载寄存器(影子寄存器)*/38    TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE);39    //-----------------输出比较结构体初始化 开始-----------------------/40    TIM_OCInitTypeDef   TIM_OCInitStructure;41    /*PWM模式设置,设置为PWM模式1*/42    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;43    /*PWM输出使能相应的IO口输出信号*/44    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;45    /*设置占空比大小,CCR1[15:0]: 捕获/比较通道1的值,若CC1通道配置为输出:CCR1包含了装入当前捕获/比较1寄存器的值(预装载值)。*/46    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty;   //占空比大小47    /*输出通道电平极性设置*/48    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;49    /*初始化输出比较参数*/50    TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);51    //-----------------输出比较结构体初始化 结束-----------------------/    52    /*自动重装载*/53    TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable);54    /*使能计数器*/55    TIM_Cmd(TIMx,ENABLE);56    /*主输出使能,如果设置了相应的使能位(TIMx_CCER寄存器的CCxE、CCxNE位),则开启OC和OCN输出。*/57    TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE);    58}59/*舵机PWM初始化60   每增加0.1ms 舵机对应增加9度610.5ms---------0621.0ms---------45   631.5ms---------90642.0ms---------135652.5ms-----------180662.1ms    turn_left=150670.8ms    turn_right=25681.3ms    turn_front=756920ms的时基脉冲,如果想让舵机转90度,就应该发生一个高电平为1.5ms,周期为20ms的方波,duty=1.5/20=7.5% ,而定时器自动重装载寄存器arr的值为 1000 ,所以duty=75,时占空比为75/1000=7.5%. 70*/71void SERVO_Init(void)72{73    SERVO_Gpio_Init();74    SERVO_TIM_Config(TIM3,1000,1440,turn_front);75/** 我们把定时器设置自动重装载寄存器 arr 的值为 1000,设置时钟预分频器为 1440,则76驱动计数器的时钟:CK_CNT = CK_INT / (1440-1+1)=0.05M,则计数器计数一次的时间等于:771/CK_CNT=20us,当计数器计数到 ARR 的值 1000 时,产生一次中断,则中断一次的时间78为:1/CK_CNT*ARR=20ms。79PWM 信号的频率 f = TIM_CLK/{(ARR+1)*(PSC+1)}  TIM_CLK=72MHZ80               = 72 000 000/(1000*1440)=5KHZ    81*/    82}83/*舵机角度控制*/84void SERVO_Angle_Control(uint16_t Compare2)85{86    TIM_SetCompare2(TIM3,Compare2);87} 编码器模块 调节小车前进的速度和避障快慢我们采用EC11旋转式编码器,可以用于光度、湿度、音量调节等参数的调节。EC11编码器的形状类似于电位器,中心有一个旋钮可以调节PWM信号,光电码盘利用光电转换原理输出三组方波脉冲。EC11编码器的实物图如下: OLED显示模块 用来显示小车转速,以及左右编码器数值和电池电压等参数所用的是OLED显示模块,分辨率较高,而且功耗低,正常显示时仅0.06W,供电电压范围在3.3V-5V,有IIC和SPI两种通信协议可供选择。显示模块的亮度和对比度可以通过程序设置。由于它使用寿命长以及其他的优点,OLED更加适合小系统,本系统由于单片机引脚有限,不适合利用简单的LCD1602或者12864来显示,在多方对比之下OLED效果更好。OLED显示部分相对比较简单,大家参考中景园的例程就可以实现。 END 微信公众号:果果小师弟关注可了解获取更多的免费资料;如果你觉得文章对你有帮助,转发分享,欢迎赞赏 最后 10T资源大放送!包括但不限于:C/C++,Linux,Python,Java,PHP,人工智能,PCB、FPGA、DSP、单片机、等等!在公众号内回复「更多资源」,即可免费获取,期待你的关注!!!下面的是我的公众号二维码图片,欢迎关注。 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

    时间:2020-10-12 关键词: 超声波 单片机

  • 四方光电扬尘传感器获得了这项奖项

    四方光电扬尘传感器获得了这项奖项

    前段时间,中国传感器与物联网产业联盟正式公布了“SIA感知领航优秀项目征集”活动的评选结果。据该评选结果显示,四方光电激光扬尘传感器PM3006获得了“应用创新优秀项目奖”的荣誉。 我国室外扬尘及网格化监测领域,早期多采用称重法和β射线吸收法的监测仪,该设备无法实现在线实时监测,投入费用昂贵且后期维护成本高,无法大批量得到应用。而民用净化器中大量应用的激光粉尘传感器,又因为存在无法满足室外-30~70℃全天候的温度环境,及无法满足建设工地等实际使用场景经常喷洒降霾的水雾影响或者下雨潮湿的高湿环境要求而难以得到使用。在户外环境下使用民用空气净化器上的传感器,室外的高温和低温都容易使传感器损坏,水雾也经常被误判为雾霾而造成爆表。同时与国家大气环境监测网提供的PM2.5/PM10/TSP的多项数据对比,民用激光粉尘传感器由于激光功率小、采样流量小,导致PM10计数率很少,因此PM10的分辨率很低,很多厂家只能根据PM2.5的数值按照比例计算出PM10和TSP,这样的监测数据存在严重失真。 通过对激光散射探测技术(LSD)近10年的技术积累和对应用市场客户真实需求的把握,四方光电研制出了扬尘传感器-PM3006,其采用宽温型大功率线型激光光源、API粉尘自动识别技术、先进的流道设计实现抗污染、大流量车规级采样装置、高湿度环境的水雾去除装置等,开创新的低成本实现了对室外扬尘的准确测量,PM2.5和PM10的实时监测数值与β射线吸收法监测设备,准确测量的相关性可以达到0.9以上。 在扬尘传感器PM3006得以成功量产并批量应用积累的经验,为进一步满足客户差异化的使用需求,四方光电进一步开发出了可以搭配气泵使用的扬尘传感PM3003S,及完全不受流量变化而影响测量精度的扬尘传感器PM3006S-P。 为了更好的满足客户设计及计量的需求,四方光电在核心传感器的基础上开发出了在线扬尘监测模组,方便客户更容易及更快速的实现监测系统的设计,大大缩短开发周期。 自2003年创立至今,四方光电始终坚持核心技术创新之路,除光散射探测(LSD)之外,公司还掌握了非分光红外(NDIR)、超声波(Ultrasonic)、紫外差分吸收光谱(UV-DOAS)、热导(TCD)、激光拉曼(LRD)等核心气体传感技术,形成了气体传感器、气体分析仪器两大类产业生态,产品广泛应用于国内外的空气质量监测(室内、室外、汽车)、固定和移动污染源监测、工业过程节能减排监测、健康医疗和智慧计量等领域。

    时间:2020-09-29 关键词: 系统 传感器 超声波

  • 这家超声波传感器公司获得了110万英镑的融资

    这家超声波传感器公司获得了110万英镑的融资

    超声波传感器公司Inductosense是布里斯托尔大学的一个分拆公司。Inductosense宣布其获得了110万英镑的融资。这笔融资将用于开发新型超声波传感器以监测结构的腐蚀,裂缝或缺陷等方面来。 该财团包括Perivoli Innovations,布里斯托大学企业基金(由Parkwalk Advisors Ltd管理),IP Group plc,机械工程师协会的Stephenson LP基金以及许多天使投资人。 Inductosense正在开发WAND-无线和无损系统背后的技术,该系统通过将测量探针靠近安装在结构上的紧凑型无电池传感器来工作。独特之处在于传感器体积小,无源且无线,因此即使结构位于一层材料或涂层之下,也可以永久地固定在结构上。对Inductosense客户的好处是与传统监控相关的成本和停机时间大大减少。 该技术是在几年通过开发城环忠博士,安东尼克劳斯福特博士和保罗·威尔科克斯教授从超声和无损检测集团在民用,航空航天和机械工程的布里斯托尔的学校。2015年,Inductosense由InnovateUK和天使投资共同组建。此后,该团队启动了用于测量管道和固定订单内部腐蚀的系统。他们正在与许多大型公司合作进行试验,最初的重点是监视石油,天然气和核能方面的资产。 Inductosense的首席执行官Matt Butcher博士说:“在过去的一年中,我们在技术开发和商业牵引方面取得了巨大的成功。通过这项投资,我们希望加快从传感器试验到商业部署的步伐和进度。我们还将一些令人兴奋的新产品商业化。” 机械工程师协会首席执行官Stephen Tetlow MBE宣布了这项投资。他补充说:“令人激动的是,我们能够支持最先进的技术,例如Inductosense正在开发的技术,用乔治·史蒂芬森(George Stephenson)的话说,“很可能是对世界有用”。该机构希望帮助公司克服研发与将产品推向市场之间的障碍,除了进行货币投资外,这还将把Inductosense与该机构及其成员的庞大资源和网络联系起来。”

    时间:2020-09-27 关键词: 系统 传感器 超声波

  • 数字式超声波探伤仪中高速数据采集模块技术

    数字式超声波探伤仪中高速数据采集模块技术

    数字式超声波探伤仪中高速数据采集模块技术 由于超声波检测具有穿透力强,检测灵敏度高等优点,因而在航空航天、冶金造船、石油化工、铁路等领域起着广泛的作用。一般采用超声无损检测技术的超声探伤仪有模拟式和数字式之分,随着计算机技术、微电子技术及数字信号处理技术的发展,传统的模拟式超声探伤仪正逐渐被功能先进的数字式超声探伤仪所取代。   超声波的回波信号是高频信号,其中心频率最高达到20 MHz以上,常用的超声波探头中回波信号的频率一般为2.5~10 MHz,要使这样的高频信号数字化,系统就对模/数转换电路提出了很高的要求。根据Shannon采样定理和Nyquist采样准则,在理想的数据采集系统中,为了使采样信号不失真地复现输入信号,采样频率至少是输入信号最高频率的两倍。在实际使用中,为保证数据采集的准确度,应增加在每个输入信号周期内的采样次数,一般每周期采样7~lO次。有些系统对采样信号频率的要求更高。现有的模/数转换电路方案在可靠性、功耗、采样速度和精度上都存在诸多不足,不能满足某些实际情况的需要,而大规模集成电路技术的发展为设计高速、高精度、高可靠性、低功耗的超声信号采集方案提供了可能性。本文设计了一种采样速率达100 MHz的超声波采集模块,并通过FPGA对采样数据进行压缩后进行数据缓存。   1 数字式超声探伤仪原理   数字式超声探伤仪结构框图如图1所示   数字化超声探伤仪一般包括超声发射单元、超声接收单元、信号调理单元(包括放大、检波、滤波等模拟信号处理环节)、模数(A/D)转换单元、数据缓冲单元、数据处理单元、波形显示单元以及系统控制与输入/输出单元(包括通信、键盘操作、报警等)。本文主要讨论数字式超声探伤仪中高速采集的关键技术与实现方法,涉及到A/D转换单元和数据缓冲单元。   2 高速度、高精度采样硬件结构   2.1 数据采集模块的结构框图   图2给出本文数据采集模块的硬件结构框图,它由高速A/D数据转换器、FPGA、时钟电路、复位电路及电源电路组成。其中,A/D数据转换器负责对模拟信号进行采集转换;FPGA负责采集控制、数据压缩及数据缓冲。下面对A/D数据转换器及FPGA进行介绍。   2.2 AD9446简介   AD9446是一种16 b ADC,具有高达100 MSPS的采样率,同时集成有高性能采样保持器和参考电压源。同大多数高速大动态范围的ADC芯片一样,AD9446也是差分输入,这种输入方式能够很好地抑制偶次谐波和共模信号的干扰。AD9446可以工作在CMOS模式和低电压差分信号(LVD-S)模式,通过输出逻辑控制引脚进行模式设置。另外,AD9446的数字输出也是可选择的。可以为直接二进制源码或二进制补码方式。在实际电路的PCB设计中,由于AD9446是对噪声敏感的模拟器件,所以在具体PCB设计时需做到以下几个方面:A/D模拟电源单独供电,模拟地与数字地单点接地,差分输入线等长,采用精确的参考电压源等。   2.3 采集控制、数据压缩及数据缓冲的FPGA实现   FPGA主要实现整个模块的数据采集控制、数据压缩及数据缓冲等功能。文中FPGA采用Xilinx公司的Spartan3E系列(XC3S500E)。这款FPGA芯片功能强大,I/O资源丰富,能够满足很多实际场合的需要。下面对其中数据采集控制、数据压缩及数据缓冲FIFO的设计做出介绍。   2.3.1 数据采集控制   AD9446芯片的控制时序与传统的低速A/D有所不同,它完全依靠时钟来控制其采样、转换和数据输出。AD9446通常在CLK第一个时钟的上升沿开始采样转换,并在经过延迟tpd后,开始输出数据。而数据则在第13个时钟到来时才出现在D15~D0端口上。图3是AD9446工作在CMOS模式下的时序图。   数字时钟管理单元(DCM)是FPGA内部管理、掌控时钟的专用模块,能完成分频、倍频、去抖动和相移等功能。通过FPGA的DCM可以很方便地对AD9446的时钟输入信号进行掌控。在实际电路中需要注意的是要做到DCM倍频输出的时钟信号与AD9446的时钟输入信号保持电平匹配。   下面给出调用DCM后时钟输出的VHDL语言描述:   2.3.2 数据压缩   数据压缩处理是对射频信号高速采样后进行前置处理的重要环节之一,需要在保持超声回波信号基本特征前提下对采样数据进行在线压缩,而且要求压缩后的数据与原始采样信号的包络相吻合。为此,在每次压缩过程中,只取采样所得的最大值,而舍弃其他采样值。FPGA将计算所得采样数据的压缩比、探头前沿延时计数值等数据送入相应的锁存器,然后发出时序复位命令并发射,启动探头延时计数,延时到后启动A/D采样,同时压缩比计数器开始计数,在时钟信号的控制下,每采样一次,压缩比计数器减1,并将当前采样值与前次采样值比较,如大于则保存,否则舍弃,直至压缩比计数到零后,得到一个有效的采样数据。同时压缩比计数器自动复位,重新开始计数,其工作流程如图4所示。   2.3.3 数据缓冲   为了解决前端数据采集与后端数据传输在速率上的不匹配问题,在FPGA内部设置一块数据缓冲FIFO,大小为8K×16 b,压缩后的数据直接存储到FIFO中,而微处理器对FIFO中数据的读取通过中断方式完成。数据缓冲FIFO通过core generator例化,只需要少量的读/写控制逻辑就可以使FIFO正常工作,而且FIFO的大小可以在FPGA提供的RAM位数范围内灵活设置。下面给出例化后的FIFO的VHDL语言描述:   保存在FIFO中的数据通过这些逻辑控制端口便于微处理器对其进行读取、清零等操作。   3 结语   设计的基于AD9446的数据采集模块采用FPGA实现数据采集控制、数据压缩及数据缓冲等功能,简化了硬件电路,提高了模块的可靠性和稳定性,并有利于模块的功能升级。同时采用高速高精度模/数转换器满足了数字式超声波探伤系统对数据采集精度方面的要求。另外,FP-GA对数据进行的预处理,方便了微处理器对数据的调用和后处理。

    时间:2020-09-10 关键词: 数据 探伤仪 超声波

  • 便携式超声波系统的完美设计方案

      随着世界人口的不断飙升,老龄化问题日益严重,全球范围内医疗诊断及护理设备的需求持续上升,尤其是对计算机断层扫描仪、磁共振仪、高档超声波诊断仪器等高端医疗电子产品需求的快速增长,有力带动了全球医疗电子市场规模的扩大。然而目前的医疗设备大多较为笨重,且价格昂贵,能耗巨大,不能很好地满足医护人员的需求。因此,医疗电子市场对外形小巧、能源效率较高以及极具成本效益的医疗诊断设备的需求显得尤为迫切。   超声波系统的设计挑战   便携式超声波系统是医院、诊所、救护车及偏远地区救护站的常备医疗设备。作为便携医疗设备应用广泛的一个市场,便携式超声波系统的同样面临着小型化、低功耗的设计挑战,使用者期望在满足便携尺寸和运行时间要求的同时维持可接受的图像质量。这就要求设计者尽量降低能耗,但同时必须确保设备运行时电池自始至终都能提供充足的供电,以确保影像分辨率,保证设备在现场操作时也能发挥卓越性能。   “美国国家半导体的高能效模拟技术使上述期望成为可能。”美国国家半导体亚太区市场总监吴渭强先生表示,“创新的PowerWise设计可以确保电池能够支持设备长时间运行;同时,连续时间Sigma-delta模拟/数字转换器技术及数字可变增益放大技术可以提高影像分辨率。此外,美国国家半导体先进的芯片封装工艺使得芯片具有更低噪声、更小的体积。”采用了美国国家半导体模拟子系统方案的便携式超声波系统可以实现高分辨率影像,发挥媲美大型仪器的性能,确保医生作出准确诊断,更有助于减小方案体积,降低功耗和系统成本,极具竞争优势。   完美超声波系统解决方案   美国国家半导体推出业界首款专为便携式超声波系统而设计的8通道超声波发射/接收芯片组。这款PowerWise芯片组的创新电路架构可以帮助工程师设计电池寿命更长、且影像分辨率可媲美大型超声波扫描机的便携式超声波系统。   该款8通道发射/接收芯片组由4颗芯片组成,芯片间协同工作令芯片组实现无与伦比的超高性能及效率。它内置一切超声波系统必要的电路,其中包括接收系统模拟前端电路(AFE)、发射/接收系统开关、发射系统脉冲发生器及可配置发射系统波束成形器。其高度集成的特性令系统设计师可以利用该芯片组来开发小巧轻盈、影像更清晰、更易据此作出准确诊断的128通道便携式超声波系统。   芯片组的模拟前端电路采用非常独特的架构,不但能确保出众的影像质量,还可将B模式的功耗尽量降低,甚至比最接近的竞争对手还低10%。这颗模拟前端电路还内置业界最高分辨率的数字可变增益放大器(DVGA)及低功耗的连续时间Sigma-delta (CTSD) 模拟/数字转换器(ADC)。此外,数字可变增益放大器还具有多个传统模拟可变增益放大器所没有的优点,例如,各通道之间可以更好地校准并具有更好的信号频谱性能。连续时间Sigma-deltaADC本身还有砖墙式混叠信号滤除功能。美国国家半导体为该模拟前端电路提供功能齐全的演示系统和评估套件,帮助系统开发商缩短开发周期,节省开发成本。   吴先生表示,这款凝聚了美国国家半导体公司高能效模拟技术和创新PowerWise设计的8通道超声波发射/接收芯片组的面世,必将改善传统的便携超声诊断设备成像效果劣于大型诊断设备的局面,为广大涉足医疗电子设备的系统开发商开拓展新的领域。

    时间:2020-09-09 关键词: 超声波

  • 超声波液位计指示电路

      根据 Ovum 欧文的研究指出,全球光纤网络市场2011年第二季表现得相当强劲,几乎攀升回复到经济衰退前巅峰状态的一半。         按地区来看,中南美洲市场复苏的百分比最高,相较于上一季成长了31%,达美金2亿6700万。然而更重要的是市场规模更大的欧洲、中东和非洲,也出现25%的环比增长,以及38%的同比增长,达美金11亿7千万。   独立电信分析师在最新的市场占有率分析报告*中指出,与2011年第一季相比,电信服务业者2011年第二季花费在光纤供货商的开支成长了16%,相较于去年同期成长了17%,达美金41亿。   此外相较于2010年第二季,年度开支成长了8%,达美金153亿。Ovum 网络基础设施业务副主席 Dana Cooperson 评论表示:此业绩象征连续两季的年收益增长,让市场几乎重回经济衰退前的巅峰状态美金166亿的一半,之前市场的巅峰出现在2008年第三季。   Cooperson 评论表示:2011年第二季北美市场的表现相较于2010年第二季,成长了18%,连续四季超过10亿美金。只有亚太区相较于2010年第二季没有出现成长,开支维持在美金14亿。   以供货商的表现来说,华为本季再次缔造最佳的收入表现,高达美金9亿元,市占率22.7%,相较于它2011年第一季的表现大幅增长超过60%。然而尽管如此,华为仍是前十大供货商中损失最多更重要的年度市占率的业者。   同时,它的主要竞争对手,市占率排名第三的中兴,本季交出有史以来最佳的表现,收入突破美金5亿元大关。相较于2010年第二季,年度增长提高了45%,让中兴成为前十大供货商中,年度市占率成长最多的业者。

    时间:2020-09-09 关键词: 指示电路 液位计 超声波

  • 超声波测距原理及简介

      超声波测距是什么   由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。    为了使移动机器人能自动避障行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)。本文所介绍的三方向(前、左、右)超声波测距系统,就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。   超声波测距原理   1、 超声波发生器      为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。      2、压电式超声波发生器原理      压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示,它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。      3、超声波测距原理      超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。     超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。      测距的公式表示为:L=C&TImes;T      式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。      超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前的测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。     由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后,我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

    时间:2020-09-09 关键词: 超声波测距 超声波

  • 超声波测距原理分析

         压电式超声波发生器原理   压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示,它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。   超声波测距原理   超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。   超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。   测距的公式表示为:L=C&TImes;T   式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。   超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前的测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。   由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后,我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。   超声波测距误差分析   根据超声波测距公式L=C&TImes;T,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。   时间误差   当要求测距误差小于1mm时,假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温),忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。   在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度,因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。   超声波传播速度误差   超声波的传播速度受空气的密度所影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系,如表1所示。   已知超声波速度与温度的关系如下:   式中: r —气体定压热容与定容热容的比值,对空气为1.40,   R —气体普适常量,8.314kg·mol-1·K-1,   M—气体分子量,空气为28.8&TImes;10-3kg·mol-1,   T —绝对温度,273K+T℃。   近似公式为:C=C0+0.607&TImes;T℃   式中:C0为零度时的声波速度332m/s;   T为实际温度(℃)。   对于超声波测距精度要求达到1mm时,就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s,温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。   使用注意事项:   1.由于超声波受环境和气候条件影响较大,在使用时最好选在天气比较晴朗的时候。   2. 超声波测距仪是根据仪器发射和接收被测物体反射波时间的原理来计算距离的,所以使用时请注意在所测距离的空间内尽量不要有其他物体,否则会造成多重反射而影响测量准确度。   3.由于超声波的波角比较大,因此在测量时请注意在仪器前端周围不要有物体(比如桌面等)。放在固定位置测量时,要将仪器的前端凸出于放置物体的表面(比如凸出于桌面外一点)。   4.测量时请保持仪器和被测距离的物体表面间成直角状态,并尽可能使仪器本身保持水平或垂直的形态。   5.夏天使用 超声波测距仪时,如果是手持测量,最好在手上拿的时间不要过久,以免造成仪器过热而影响正常工作。

    时间:2020-09-08 关键词: 超声波测距 超声波

  • 运放构成的超声波接收电路

    运放构成的超声波接收电路

    运放构成的超声波接收电路由集成运放A.、A:、A 来构成.R.c 为滤波网络, 二极管D.?C R 为检波网络。(点击放大)

    时间:2020-09-08 关键词: 运放 接收电路 超声波

  • LM1808构成的超声波接收电路

    LM1808构成的超声波接收电路

    超声波接收电路可采用新产品专用集成电路,也可用传统的滤波、放大、检波、壤形的电路。过去均采用分立元件构成,现在可 用集成电路来代替.LM1808构成的超声波接收电路:

    时间:2020-09-08 关键词: 接收电路 lm1808 超声波

  • LMISI2构成的超声波换能器驱动和接收电路

    LMISI2构成的超声波换能器驱动和接收电路

    L M I812是设计在 块芯片上的完整的超声波收发机,它应用在各种不同的脉冲回波测距场合。芯片的工作是借助于转换器,通过传送振荡脉冲进行.然后利用同一转换器监听返回的回声。如果收到的回声信号具有足够幅度,则LM1 8 I2探测器将会送出与原来脉冲宽度大致相同的脉冲,距离阻挡物体越近,则收到的返回回声的时间越短。LMISI2构成的超声波换能器驱动和接收电路:

    时间:2020-09-08 关键词: 驱动电路 接收电路 换能器 lmisi2 超声波

  • UPC1018C构成的超声波接收电路

    UPC1018C构成的超声波接收电路

    使用价格便宜的极普通的upc10I8C作为超声波的放大电路,采用独特的连接方式,可获得非常好的应用效果。UPC1018C构成的超声波接收电路:

    时间:2020-09-08 关键词: 接收电路 upc1018c 超声波

  • 超声波移动机器人导航设计方法

    超声波移动机器人导航设计方法

      摘要: 采用新型的超声波传感器,设计并开发基于ARM9 与嵌入式linux 为平台的轮式移动机器人平台的下的未知环境的避障导航系统。本文重点介绍该超声波传感器的实现原理以及在机器人平台中的整个软件实现流程以及控制机器人行走的实现方法。   1 引言   在项目开发中采用从英国进口的SRF05 超声波传感器,它的回波反馈与测距方式与通常使用的超声波传感器相比较特别, 在ARM中实现也稍有难度, 但该传感器精度很高可达到1cm, 因此用该传感器去掉了用于近距离测距的红外测距模块节约了硬件资源。   该机器人的最小系统为,触摸屏模块,超声波模块,摄像头图像采集模块,直流电机闭环控制系统,在整个系统中测距是最总要的一环,它直接影响电机运行距离的精度,在有效范围内的图像采集控制。整个系统都是在ARM9 与linux 平台中完成,每个模块都是用设备驱动的方式实现使得模块的控制更加方便。   2 SRF05 超声波测距方法   提供一个10us 的脉冲触发超声波传感器,SRF05 会发出8 个周期的频率为40khz 的超频脉冲,此时在echo 也是就回波口上的电平变为高,此时定时器开始计时,等到echo 变为低电平证明有障碍物此时停止计时,高脉冲的宽度有测距的距离成正比,该超声波的有效测距范围为1cm~4m, 因此如果没有障碍物或障碍物大于4m,echo 依然会变为低电平此时定时器的时间为30ms, 因此在测距时定时器的周期应大于30ms 这样才能有效测距。   原理如图1 所示。      3 超声波测距软件实现   如图2 为超声波测距的流程图。   

    时间:2020-09-08 关键词: 导航 机器人 超声波

  • 便携式超声波系统的设计方案

      随着世界人口的不断飙升,老龄化问题日益严重,全球范围内医疗诊断及护理设备的需求持续上升,尤其是对计算机断层扫描仪、磁共振仪、高档超声波诊断仪器等高端医疗电子产品需求的快速增长,有力带动了全球医疗电子市场规模的扩大。然而目前的医疗设备大多较为笨重,且价格昂贵,能耗巨大,不能很好地满足医护人员的需求。因此,医疗电子市场对外形小巧、能源效率较高以及极具成本效益的医疗诊断设备的需求显得尤为迫切。   超声波系统的设计挑战   便携式超声波系统是医院、诊所、救护车及偏远地区救护站的常备医疗设备。作为便携医疗设备应用广泛的一个市场,便携式超声波系统的同样面临着小型化、低功耗的设计挑战,使用者期望在满足便携尺寸和运行时间要求的同时维持可接受的图像质量。这就要求设计者尽量降低能耗,但同时必须确保设备运行时电池自始至终都能提供充足的供电,以确保影像分辨率,保证设备在现场操作时也能发挥卓越性能。   “美国国家半导体的高能效模拟技术使上述期望成为可能。”美国国家半导体亚太区市场总监吴渭强先生表示,“创新的PowerWise设计可以确保电池能够支持设备长时间运行;同时,连续时间Sigma-delta模拟/数字转换器技术及数字可变增益放大技术可以提高影像分辨率。此外,美国国家半导体先进的芯片封装工艺使得芯片具有更低噪声、更小的体积。”采用了美国国家半导体模拟子系统方案的便携式超声波系统可以实现高分辨率影像,发挥媲美大型仪器的性能,确保医生作出准确诊断,更有助于减小方案体积,降低功耗和系统成本,极具竞争优势。   完美超声波系统解决方案   美国国家半导体推出业界首款专为便携式超声波系统而设计的8通道超声波发射/接收芯片组。这款PowerWise芯片组的创新电路架构可以帮助工程师设计电池寿命更长、且影像分辨率可媲美大型超声波扫描机的便携式超声波系统。   该款8通道发射/接收芯片组由4颗芯片组成,芯片间协同工作令芯片组实现无与伦比的超高性能及效率。它内置一切超声波系统必要的电路,其中包括接收系统模拟前端电路(AFE)、发射/接收系统开关、发射系统脉冲发生器及可配置发射系统波束成形器。其高度集成的特性令系统设计师可以利用该芯片组来开发小巧轻盈、影像更清晰、更易据此作出准确诊断的128通道便携式超声波系统。   芯片组的模拟前端电路采用非常独特的架构,不但能确保出众的影像质量,还可将B模式的功耗尽量降低,甚至比最接近的竞争对手还低10%。这颗模拟前端电路还内置业界最高分辨率的数字可变增益放大器(DVGA)及低功耗的连续时间Sigma-delta (CTSD) 模拟/数字转换器(ADC)。此外,数字可变增益放大器还具有多个传统模拟可变增益放大器所没有的优点,例如,各通道之间可以更好地校准并具有更好的信号频谱性能。连续时间Sigma-deltaADC本身还有砖墙式混叠信号滤除功能。美国国家半导体为该模拟前端电路提供功能齐全的演示系统和评估套件,帮助系统开发商缩短开发周期,节省开发成本。   吴先生表示,这款凝聚了美国国家半导体公司高能效模拟技术和创新PowerWise设计的8通道超声波发射/接收芯片组的面世,必将改善传统的便携超声诊断设备成像效果劣于大型诊断设备的局面,为广大涉足医疗电子设备的系统开发商开拓展新的领域。

    时间:2020-09-08 关键词: 便携式 超声波

  • 医学成像:两高一低新风尚

    医学成像:两高一低新风尚

      与所有非常依赖科技进步的行业一样,医学成像设备厂商不得不持续改进他们的产品——主要是改进系统的成像质量。无论是超声波反射声波、核磁共振成像(MRI) 磁场扰动还是正电子发射断层成像 (PET)的正电子发射,大多数医学成像技术均需要患者信号接收传感器阵列。提高成像质量的最直接方法就是扩大传感器阵列规模。但是由于为设备添加了更多的传感器,因此将信号传输至处理引擎的信号链就必须增加电子器件。(标题中所说的“两高一低”指的是下文所提及的高集成度、高性能和低功耗。)   与此同时,厂商还必须缩小其系统尺寸、降低功耗并提高性能。系统某一方面的性能增强也许会给其他方面带来挑战。仅仅增加传感器和信号链就可能会引发包括系统尺寸及功耗增大在内的不利影响。但是,用于医学成像系统的最新一代信号链组件使医疗系统设计人员既能改善信号链密度和功耗,同时又不影响动态性能——即系统同时实现更高的成像质量、更低的功耗以及更小的尺寸。      图 1 超低功耗 VGA 的功能结构图   医学成像接收机的组成元件   对于大多数典型医学成像应用来说,传感器阵列的每个元件都需要其自己的信号链将传感器的小信号响应传送并转换成一个匹配的小信号响应以进行数字信号处理。因为成像应用传感器的信号响应性质不尽相同,因此信号转换过程中通常离不开三个主要有源组件。首先是低噪声放大器(LNA),其主要功能是将模拟系统的噪声系数 (NF) 尽可能地固定在一个尽可能低的水平。第二个放大器通常是在 LNA 之后,以最佳匹配模数转换器 (ADC) 末级输入摆幅的信号。      图 2 噪声系数与所选VGA 性能的对比关系   诸如 MRI 的应用(其通常在信号振幅方面摆幅不大)可以使用固定增益级。但是,如果系统在信号强度(如超声波)方面存在很大差异,那么该系统则需要可变增益放大器(VGA),并且需要在 ADC 之前使用可编程增益放大器 (PGA)。经过 ADC 以后,模拟信号将被转换成数字信号并准备发送至系统的数字信号处理器 (DSP),该过程一般通过现场可编程门阵列 (FPGA)完成进入末级的信号处理和转换。对于 MRI 而言,在 LNA 和放大器之间也可能有一系列混频级,以将磁体射频 (RF)能量转换成为低频能量。因为每个元件都需要三个或更多器件,传感器每增加一倍,仅接收信号链的模拟组件数量就可能需要增加到原来的 6 至 10 倍!另外,功耗要求的增加就更不用说了。难怪系统设计人员总是不断要求组件供应商对其新型集成电路 (IC)设计进行创新,以解决尺寸相关的问题。

    时间:2020-09-07 关键词: 传感器 核磁共振 医学成像 医学设备 超声波

  • 超声波汽车倒泊防撞报警器的设计

    超声波汽车倒泊防撞报警器的设计

      超声波汽车倒泊防撞报警器是超声波测距的一个重要应用。在汽车倒泊时,利用超声波的反射可以探测汽车尾部与障碍物之间的距离,提供多级声光报警。本文介绍一种以MC68HC705J1A单片机为核心的低成本超声波汽车倒泊防撞报警器的设计方法,该报警器的感应时间小于0.5s,测距精度可达0.1m。   1 超声波测距原理   超声波测距原理是根据超声波遇到障碍物后可反射回来的特性,记录发射信号到收到第一个反射信号的时间t,利用公式s=c·t/2,计算出距离s。其中c是声速,标准状态下声速c=331.4m/s。超声波测距原理如图1所示。        2 超声波汽车倒泊防撞报警器的组成   超声波汽车倒泊防撞报警器的组成如图2所示。        报警器只在汽车倒泊时才使用,采用倒车灯的电源+12V供电。倒车时障碍物可能在车的后面,也可能在车的侧面。为了保证各种情况下探测障碍物的准确性,采用双路探测结构,取两路中距离较短的一路作为有效探测距离。超声波探测头具有电声转换和声电转换两种功能,分时用于发送信号和接收信号。声光报警电路由单片机直接控制,利用不同的蜂鸣器鸣叫声音和不同颜色的LED闪动实现多段报警。   3 超声波汽车倒泊防撞报警器的硬件电路设计   超声波汽车倒泊防撞报警器的硬件电路原理如图3所示(图中只给出了一路检测电路,另一路与此相同)。        MC68HC705J1A单片机是Motorola公司J系列单片机中性能价格比最高的单片机之一,广泛应用于各种中小型检测控制系统中。MC68HC705J1A是一个具有1240字节EPROM/OTPROM的8位微控制器,主要硬件资源有:1240字节EPROM、64字节RAM、14个双向输入/输出端口、多功能计数器、外部中断等,同时具有看门狗和非法地址检测、无最小时钟频率选择等特点。在超声波汽车倒泊防撞报警器中,充分利用其双向并行口的输入和输出功能,进行信号的发送、接收及声光报警等控制。   超声波探测头选频频率为40kHz方波,由软件在单片机的发送管脚PA6和PA7上直接产生20个方波脉冲,再通过变压器升压变换,经超声波探测头发射出去。由于传感器本身的恢复过程,发射结束后仍有不大于500μs的阻尼震荡。发射信号同时回送到接收电路。   发射信号遇到障碍物后反射回来,由同一超声波探测头接收并送到接收电路。接收电路对反射信号进行多级放大和检波,最后通过开关电路到达单片机的接收管脚PA0或PA1。当接收电路有信号时,开关三极管Q1导通,PA0或PA1为低电平;否则,三极管截止,PA0或PA1为高电平。检测PA0或PA1的管脚状态,就可以得到超声波探测头接收到第一个反射信号的时刻,从而计算出从发送信号到接收到第一个反射信号的时间,再进一步计算出障碍物与汽车的距离。发射信号波形、接收电路信号波形和单片机接收管脚信号波形如图4所示。        

    时间:2020-09-07 关键词: 防撞报警器 汽车泊车 超声波

  • 浅析超声波液位计的工作盲区

      超声波液位计的盲区如同人眼的盲区一样,是当物体离眼睛较近且角度一定的时候,反而看不清楚了或者看不见,这一范围就叫做盲区。   超声波液位计的工作原理,是根据超声波的发射和接收来实现的。超声波在空气中传输的速度是一定的,超声波发射出去,然后接收液面或物面反射回来的波,从发射开始计时,到接收到回波结束。超声波在空气中传输的时间就定了。因为是一个来回,那实际距离就是距离的一半。池子的深度或罐体的高度是一定的。那实际液位就是池子的深度减去超声波液位计测量的距离,就是液位或物位的高度了。由此,就实现了超声波测量液位或者物位了。   超声波液位计的盲区,根据量程的不同,盲区也不同。量程小,则盲区小,量程大,则盲区大。但一般都在 30cm-50cm之间。所以一般在安装超声波液位计的时候盲区一定是要考虑进去的。在特殊场合,会要求盲区很小,这个时候可以考虑小盲区超声波液位计,其盲区一般只有4-6cm。但其量程也相对较小,只有0.6m。在很多液位测量的领域,因为空间的限制,安装条件的限制,需要盲区很小的超声波液位计。   超声波液位计液位进入盲区,通常会显示二次回波对应的液位位置。举例而言,如果盲区是0.3m,液面至换能器(或探头)表面的距离是0.2m,则液位计会显示对应空间距离为0.4m的液位值。由于在测量液位时,液面反射良好,因此超声波液位计发出的声脉冲,经液面反射后,回波到达换能器(或探头)表面后又会被重新反射回液面,并被再次反射回换能器并接收,这时的回波即为二次回波。如果反射条件良好,还可能收到多次回波(多次往返的回波)。

    时间:2020-09-07 关键词: 液位测量 超声波

  • 工研院与佳世达签约开发便携式超声波芯片

      为推动高阶医疗影像产业发展,工研院与佳世达宣布将共同开创下一代便携式超声波系统与芯片的自主性技术,运用工研院芯片设计及无线通讯的技术能量,与佳世达合作开发掌上型便携式超声波扫描仪,期能突破欧美日垄断的高阶医材技术,发展自主核心技术及专利,以带动ICT产业与高阶医疗器材整合。   工研院电光所詹益仁所长表示,目前超声波扫描仪的技术核心几乎都被国外大厂垄断,工研院目前已成功掌握超声波系统设计平台技术,透过与佳世达的合作,可完成“多通成像运算器芯片技术”、“高信噪比模拟芯片技术”及“高压芯片设计封装技术”等基础技术,预计二年内可开发出第一部从软硬件到芯片设计均由国人自制的便携式彩色医用超声波仪。   工研院生医所邵耀华所长表示,根据工研院产经中心的市场分析指出,全球医用超声波扫描仪市场约为50亿美元,且年成长率大于5%,其中小于6公斤的微型化超声波成长最为快速,从2010年到2015年产值将由6亿美元倍增为12亿美元,年成长率达10%,包括使用灵活、操作简单、成本低廉和轻巧携带等特点,均为驱动便携式超声波扫描仪快速增长的主要塬因。   工研院电光所刁国栋副所长进一步表示,目前便携式超声波在技术上仍有许多瓶颈,例如电池续航力不足、影像解析度不高等问题,随着科技发展与移动式医疗设备需求的扩增,未来便携式超声波扫描仪功能、品质和性能将大幅提升。在各式各样的医疗影像检测仪器中,超声波系统是最有机会做到微型化以及即时动态检测的功能,且超声波医疗影像诊断不同于其他医疗影像设备如X光摄影、核振造影(MRI),不需要放射源,是一种既安全又方便快速的医学影像诊断设备,应用范围除了医用,还包含工业检测、食品检测、动物医疗等项目。   工研院与佳世达携手合作,使超声波脱离传统机台重量限制,大幅缩小超声波尺寸外,可发展出掌上型的便携式超声波扫描仪,使超声波使用更加普及化,未来小型诊所、医师人手一台,可提高初阶医学诊断的确诊率。同时在偏远地区或远距紧急医疗时,也可与智能手机结合,只要接上超声波探测器即可产生即时影像,成为紧急救护的最佳利器,加速行动医疗环境发展。

    时间:2020-09-07 关键词: 佳世达 扫描仪 医疗成像 成像设备 医疗芯片 超声波

  • 未来医疗芯片的四大发展趋势

    未来医疗芯片的四大发展趋势

      据研究,美国已有88%的医生会透过血糖仪、心率监测器等可携式医疗设备来追踪病人在家中的状况。而市调公司Databeans统计,2011年居家医疗领域营收达191亿美元,尽管占整体营收比例不高,但正稳定成长中。   可携式医疗设备包括电子血压计、电子血糖仪、心率监测器、便携式心电图仪等生理讯号检测健康照护设备,另外一些较为大型的专业医疗仪器如超声波,在体积上也开始“压缩”,有了便携型的产品,这些都替医生及病人带来极大的便利性。“过去是病人到医院做检查,现在则是仪器主动到病人身边检测”,刁国栋解释医病模式的改变。   图: 有了便携型的产品,替医生及病人带来极大的便利性   相较于消费性电子,医疗设备中的芯片在技术门槛上较高,电压、电流或静电防护上的安全规范上也较为严格。此外,对传统的医疗设备来说,体积和功耗并不是考量设计之一,但对于可携式或可穿戴式产品来说,更长的电池寿命和小的电路尺寸都是重要关键,增加任何的附加功能,都要考虑到功耗、电路尺寸,且还必须具备足够的运算能力。甚至,对于一些抛弃式的贴片型产品来说,成本也极为重要。   这些改变对于传统医疗设备制造商带来极大的挑战,但却为半导体业者带来新商机。为了因应这些挑战,新的半导体技术正朝向使医疗设备更小巧、更低功率需求、以及削减总体成本迈进。医疗设备芯片发展呈现高整合度、小型化,高能效、以及标准化四大趋势。   例如,ADI就针对这样的需求,推出系列医用产品解决方案,如具有芯片内建JESD 204B串联介面的八通道超音波接收器,透过此介面,ADI的AD9671八通道接收器能够使超音波系统中的I/O资料路由比其他的资料介面标准减少80%。这不仅简化超音波设备中的电路板设计,同时也符合业界对于更高资料速率、更多通道数量、以及更大影像解析度的需求,进而因应生产厂商,设计小巧、高性能超音波系统的需要。

    时间:2020-09-07 关键词: 监测器 医疗设备 血糖仪 电子血压计 超声波

  • 达芬奇系统:超声完成“远程麻醉”

      据外国媒体报道,外科机器人可用于远程麻醉。研究人员进行了一系列的模拟研究来评价外科机器人辅助区域麻醉程操作的可行性。模拟试验使用了现有的外科机器人——达芬奇系统。由四个机器人手臂和高清立体相机组成,可用来执行各种类型的机器人辅助外科手术。   这个过程并不在真正的患者身上进行,而是使用超声“人体模型”模拟麻醉师超声引导下的操作。麻醉师是在手术室里,但却远离机器手臂和模拟“病人”,使用达芬奇系统操作员控制台执行操作。   在开始放置超声探头后,麻醉师能够成功进行模拟神经阻滞过程,包括识别神经结构,捡起针和定位目标神经、最终完成注射。然后,外科机器人用来尝试技术更为先进的区域麻醉:放置神经周围性导管达到持续神经阻滞。虽然一部分步骤必须手工完成,大部分复杂的导管放置过程可通过达芬奇系统成功完成。在执行模拟操作的过程中,有一些重要的限制,包括一些步骤必须手工完成,达芬奇系统数百万美元的价格是另一个临床应用障碍。然而,“模拟试验证明,利用现有的临床设备进行机器人辅助的区域麻醉是可行的”,TIghe博士与其同事写道。需要进一步的研究促进这一概念的发展,包括“优化机器人与其他神经阻滞设备接口”等相关研究。   将来,机器人技术可以用来进行远距离的“远程麻醉”操作。“现在熟练的区域麻醉医师非常少,不能满足需求,”麻醉和疼痛总编辑、哥伦比亚大学Steven L. Shafer博士评价道。“这项技术还处于初级阶段。如果将来的研究表明是切实可行的,一个训练有素的麻醉医师可在一天内为世界范围内的数十个病人提供专业化的神经阻滞。仍然会有麻醉医师照顾病人的需求,需处理各种并发症,一旦麻醉失败提供备用麻醉方案。”

    时间:2020-09-07 关键词: 机器人 临床设备 超声波

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