【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于超聲波，尤其涉及一種基于cmut(capacitivemicromachined?ultrasonic?transducer,電容式微加工超聲換能器)傳感器的多通道超聲波發射系統。
技術介紹
1、超聲探傷是一種無損檢測方法，其依據檢測對象、成像方法、設備架構三個方面的差異主要分為生物醫療超聲和工業探傷兩大類。其中，在生物醫療超聲領域，超聲探傷技術已經成為不可或缺的一種技術手段，相比于傳統的ct成像，x射線成像以及核磁共振成像技術，超聲波在獲取關于器官結構、形態等方面的數據時，具有無輻射風險、實時性等優勢，極大的提升了診斷的精確性和安全性。
2、在生物醫療超聲領域中，由于應用場景復雜化、面向對象的多樣化、數據處理量巨大化，因而對其關鍵部件換能器的頻率、帶寬和體積等方面具有更大的需求。與此同時，關于mems(micro-electro-mechanical?systems，微機電系統)的微機械加工工藝的進步推動了cmut的發展，cmut不僅可以克服壓電材料與空氣難以耦合的現象，同時具備能量轉換效率高、接受靈敏度高、寬頻帶、探測精度高、易陣列化等優勢，因此充分發揮cmut在生物超聲檢測中的優勢，設計匹配cmut探頭的多通道發射系統顯得尤為重要。
3、在現有的超聲探傷系統電路中，通常只能對被檢測物體實現單點檢測，不能實現多點檢測。在實際生活應用中，為了實現對同一檢測物質的多點檢測，需要構建能夠與cmut線陣列或面陣列匹配的多點同時驅動的超聲波發射系統。而現有的多通道驅動電路不僅結構設計復雜、體積龐大
4、綜上所述，有必要開發與多陣列的電容式超聲微機械換能器相匹配的發射系統，設計與cmut探頭相互匹配的阻抗匹配電路，解決各個超聲脈沖之間信號相互干擾的問題，同時設計的電路系統實現通道間的低延時，并且控制系統具有高精度延時控制算法，對超聲驅動和檢測具有重要意義。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是為了克服現有技術的不足，提出一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，旨在實現陣列cmut傳感器的多通道同步驅動，并抑制不同通道間的相互串擾和抑制不同路徑長短導致的延遲。
2、為了實現上述目的，本專利技術具體采用的技術方案如下：
3、一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，該系統包括：用于為cmut傳感器提供偏置電壓的直流偏置電壓供給模塊；用于為整個電路系統提供電源的系統電源供給模塊；用于生成上位機傳送數據的pc上位機端；用于傳輸所述上位機傳送數據至fpga系統的數據通信模塊；用于接收所述上位機傳送數據并處理上位機數據分配的fpga選通信號控制模塊；用于根據所述fpga選通信號控制模塊產生的選通信號選擇開啟對應的n路高壓脈沖激勵信號的高壓脈沖電路生成模塊；用于擴展所述n路高壓脈沖激勵信號至2n路的時分復用電路模塊；用于匹配具體換能器的lc阻抗匹配模塊；用于接收回波數據并進行二級放大的回波信號放大模塊；用于對二級放大后的回波數據進行量化的模數轉換模塊。
4、進一步地，所述的直流偏置電壓供給模塊由lm5022芯片作為主控，載入30v輸入電壓，通過電容濾波去耦，并輸入至主控芯片，輸出電壓基于電流模式控制，通過電阻分壓、sepic穩壓，并通過mos管控制電流大小及輸出關斷實現升壓穩壓并進行電壓輸出，電壓輸出端接電容濾波以及通過匹配電路供給cmut傳感器進行偏置電壓100v穩定供給。
5、進一步地，所述的系統電源供給模塊的外部由穩壓電源模塊供給±30v電壓，第一部分由±30v電壓直接接入高壓脈沖電路生成模塊，用作控制激勵信號的大小，系統配置±30v至±40v的電壓供給系統，最高可以達到±40v激勵高壓脈沖信號，由30v電壓載入lm25085芯片，并采用開關電源的方式實現分壓、穩壓，并通過n-mos得到輸出電壓，然后通過電感l2得到系統所需要的電流大小，從30v轉換為12v的輸出電壓。
6、進一步地，所述的電壓供給系統中得到的12v電壓，通過tp54302開關芯片，通過電阻分壓、電感控制電流大小的方式得到5v的輸入電壓，通過icl7660開關電源芯片的設計得到±5v電壓，供給后置電路的多通道復用芯片使用，然后輸入的12v電源電壓通過tps62130芯片得到fpga系統所需要的電源電壓部分，包括3.3v、3.15v、1.9v、1.8v、1.5v、1.2v及1v，以滿足系統中不同部分的供電需求。
7、進一步地，所述pc上位機端，由上位機界面設置具體需要的數據，包括串口通道，串口發送電流，波特率，信號頻率，信號個數等數據并生成數據流。采用打包數據幀的方式發送80位寬的數據，利用幀頭和幀尾打包數據的方式生成上位機傳送數據。
8、進一步地，所述的數據通信模塊采用串口通信方式發送給fpga。
9、進一步地，所述的fpga發送數字控制模塊，包括fpga串口數據接收模塊，數據緩存fpga數據分類模塊，max14808高壓驅動電路控制模塊，max14866信號多通道復用控制模塊。
10、進一步地，所述的高壓脈沖電路生成模塊，由max14808主控芯片作為系統的主要控制模塊，單塊max14808芯片接入fpga的端口由20個io口組成，其中分為4個電流控制端口和模式選擇端口載入，電源由+30vpp和-30vpp，然后整個系統輸出8個占空比為百分之五十的正負脈沖信號，整個系統共使用了4塊高壓脈沖激勵芯片，并生成64路脈沖激勵信號。
11、進一步地，所述時分復用電路模塊，由max14866主控芯片作為系統的主要控制模塊，單塊max14808芯片接入fpga的端口由6個口組成，其中分別為時鐘，片選，置位，以及spi通信的miso和mosi接口，然后輸入信號由前置的max14808芯片輸出端口接入其輸入端口，最終實現64路輸出信號，該模塊由+5v電壓和+3v3電壓供電。
12、進一步地，所述的lc阻抗匹配模塊針對信號發送電路部分，輸入阻抗更接近探頭阻抗，匹配網絡有更寬的頻率響應，適用于高頻信號。
13、進一步地，阻抗匹配包括以下步驟：
14、步驟1：進行lc調諧網絡中，根據cmut結構參數，設計并計算分析cmut等效電路電阻和cmut等效電路串聯諧振頻率；
15、步驟2：利用史密斯圓圖，結合cmut等效電路的電抗和cmut等效電路串聯諧振頻率，調整調諧電感l的電感值和調諧電容c的電容值，使cmut等效電路和lc調諧網絡整體的電抗為0，電阻為50ω±5ω，得到電感l的電感值和調諧電容c電容值的最終參數。
16、進一步地，所述的回波信號放大模塊，包括tia跨阻放大電路、lna同向比例放大電路、bpf帶通濾波器，實現對高頻微弱回波信號的二級放大濾波。
17、進一步地，回波信號經過tia、lna、bpf三個電路之后，再經過模數轉換模塊進行adc轉換，模數轉換模塊由a本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：該系統包括：
2.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的直流偏置電壓供給模塊由LM5022芯片作為主控，載入30V輸入電壓，通過電容濾波去耦，并輸入至主控芯片，輸出電壓基于電流模式控制，通過電阻分壓、SEPIC穩壓，并通過MOS管控制電流大小及輸出關斷實現升壓穩壓并進行電壓輸出，電壓輸出端接電容濾波以及通過匹配電路供給CMUT傳感器進行偏置電壓100V穩定供給。
3.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的系統電源供給模塊的外部由穩壓電源模塊供給±30V電壓，第一部分由±30V電壓直接接入高壓脈沖電路生成模塊，用作控制激勵信號的大小，系統配置±30V至±40V的電壓供給系統，由30V電壓載入LM25085芯片，采用開關電源的方式實現分壓、穩壓，并通過N-MOS得到輸出電壓，然后通過電感L2得到系統所需要的電流大小，從30V轉換為12V的輸出電壓。
4.如權利要求3所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，
5.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述PC上位機端，由上位機界面設置具體需要的數據，包括串口通道，串口發送電流，波特率，信號頻率，信號個數等數據并生成數據流，采用打包數據幀的方式發送80位寬的數據，利用幀頭和幀尾打包數據的方式生成上位機傳送數據。
6.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的FPGA發送數字控制模塊，包括FPGA串口數據接收模塊，數據緩存FPGA數據分類模塊，MAX14808高壓驅動電路控制模塊，MAX14866信號多通道復用控制模塊。
7.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的高壓脈沖電路生成模塊，由MAX14808主控芯片作為系統的主要控制模塊，單塊MAX14808芯片接入FPGA的端口由20個IO口組成，其中分為4個電流控制端口和模式選擇端口載入，電源由+30VPP和-30VPP，然后整個系統輸出8個占空比為百分之五十的正負脈沖信號，整個系統共使用了4塊高壓脈沖激勵芯片，并生成64路脈沖激勵信號。
8.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述時分復用電路模塊，由MAX14866主控芯片作為系統的主要控制模塊，單塊MAX14808芯片接入FPGA的端口由6個口組成，其中分別為時鐘，片選，置位，以及SPI通信的MISO和MOSI接口，然后輸入信號由前置的MAX14808芯片輸出端口接入其輸入端口，最終實現64路輸出信號，該模塊由+5V電壓和+3V3電壓供電。
9.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的LC阻抗匹配模塊在阻抗匹配時，包括以下步驟：
10.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的回波信號放大模塊，包括TIA跨阻放大電路、LNA同向比例放大電路、BPF帶通濾波器，實現對高頻微弱回波信號的二級放大濾波。
11.如權利要求1所述的一種基于CMUT傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的模數轉換模塊，以AFE5832芯片為主要控制模塊，其集成了信號衰減器、放大器、濾波器、ADC轉換通道，并且內部通過時分復用，實現了由16個通道就能實現32路的數據接收。
...【技術特征摘要】
1.一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：該系統包括：
2.如權利要求1所述的一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的直流偏置電壓供給模塊由lm5022芯片作為主控，載入30v輸入電壓，通過電容濾波去耦，并輸入至主控芯片，輸出電壓基于電流模式控制，通過電阻分壓、sepic穩壓，并通過mos管控制電流大小及輸出關斷實現升壓穩壓并進行電壓輸出，電壓輸出端接電容濾波以及通過匹配電路供給cmut傳感器進行偏置電壓100v穩定供給。
3.如權利要求1所述的一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的系統電源供給模塊的外部由穩壓電源模塊供給±30v電壓，第一部分由±30v電壓直接接入高壓脈沖電路生成模塊，用作控制激勵信號的大小，系統配置±30v至±40v的電壓供給系統，由30v電壓載入lm25085芯片，采用開關電源的方式實現分壓、穩壓，并通過n-mos得到輸出電壓，然后通過電感l2得到系統所需要的電流大小，從30v轉換為12v的輸出電壓。
4.如權利要求3所述的一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述的電壓供給系統中得到的12v電壓，通過tp54302開關芯片，通過電阻分壓、電感控制電流大小的方式得到5v的輸入電壓，通過icl7660開關電源芯片的設計得到±5v電壓，供給后置電路的多通道復用芯片使用，然后輸入的12v電源電壓通過tps62130芯片得到fpga系統所需要的電源電壓部分，包括3.3v、3.15v、1.9v、1.8v、1.5v、1.2v及1v，以滿足系統中不同部分的供電需求。
5.如權利要求1所述的一種基于cmut傳感器的收發一體檢測系統，其特征在于：所述pc上位機端，由上位機界面設置具體需要的數據，包括串口通道，串口發送電流，波特率，信號頻率，信號個數等數據并生成數據流，采用打包數據幀的方式發送80位寬的數據，利用幀頭和幀尾打包數據的方式生成上位機傳送數據。
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