基于FPGA的双阵列对射驻波场超声波悬浮与操纵系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于FPGA的双阵列对射驻波场超声波悬浮与操纵系统及方法，系统包括上支撑板、下支撑板、分布于所述上支撑板和下支撑板上的若干个超声波换能器以及用于对所述超声波换能器进行驱动的驱动模块；所述驱动模块包括若干个相互并联的芯片；悬浮方法包括以下步骤：s1.利用悬浮颗粒的特征、位置和运动参数，逆向求解出两块对射的超声波换能器阵列上各个超声波换能器在微粒控制每一瞬时的相位以及占空比的信息；s2.计算出所有超声波换能器的相位与占空比后传输进入软件中。s3通过软件，对超声相控阵列所需的时序电路进行输入设计、时序约束、分析综合和板级调试；本发明基于FPGA设计的时序电路进行操作控制，使相位输出延时误差极大降低。

说明书

技术领域

本发明涉及微粒悬浮领域尤其是非接触式微米级别物体的悬浮以及三维空间操纵。这对于生物工程、医疗领域的微生物细胞体、液滴颗粒、生物化合物等的非接触、无污染式控制提出了一种新技术。

背景技术

声音可以使不同大小和材料的物体悬浮在空气、水和组织中。这使得我们可以在不接触或污染细胞、液体、化合物或生物的情况下操作它们。然而，声学悬浮要求目标被声学元件包围或有有限的机动性。在这里，我们优化了用于驱动超声相控阵的相，使用两块对射发射器，基于FPGA的时序电路控制PWM波信号，使声悬浮可以用于平移、旋转和操纵粒子。悬浮可以操纵我们体内的粒子，用于靶向给药或不干扰磁共振成像的声控微型机器。

现存的超声相控阵列悬浮系统存在问题于缺点：

1.多数基于单片机的控制，单片机为单条指令顺序执行控制外置超声波换能器，在超声阵列规模较大时，各条PWM波信号之间延时误差很大，将直接影响超声相控阵悬浮系统对微粒的精准控制和准确可靠的动态响应特性。

2.现在的超声相控阵多为一块超声波阵列发射板对应一块平板反射板的悬浮系统，这将对两块平板之间间距高度的严格计算要求，对射平板可以更容易实现稳定且强声压场的驻波。

因此，需要基于FPGA设计的时序电路进行操作控制，使相位输出延时误差极大降低，颗粒动态操纵更加敏锐。

发明内容

本发明的目的是研制一种基于FPGA的对射超声波相控阵列能够对多路PWM 波信号进行并行执行控制，使得相控阵的相位和占空比的调节所需的延时仅为纳秒级别，能够对悬浮的微粒实现更加精准的运动控制以及姿态调整，并且实现 0.5mm的空间分辨率。再通过计算设计的功放电路及进行PCB制板、布线、贴片以及焊接形成一个可靠的驱动模块，然后连接超声波换能器，实现比以往控制更加精准、空间分辨率更高、动作相应更快的微粒悬浮控制系统。

本发明的基于FPGA的双阵列对射驻波场超声波悬浮与操纵系统，包括上支撑板、下支撑板、分布于所述上支撑板和下支撑板上的若干个超声波换能器以及用于对所述超声波换能器进行驱动的驱动模块；

所述驱动模块包括若干个相互并联的TC4427COA芯片；每个所述TC4427COA 芯片具有8个引脚，其2号引脚和4号引脚作为输入接收由FPGA传输来的小交流电信号的两路PWM波；其5号引脚和7号引脚作为输出，在经过放大电路后放大为单个超声波换能器单元所需的额定工作电压，接在两个所述超声波换能器的信号引脚上；其3号引脚接地；其6号引脚并联两个电容后连接在外接电源上；

进一步，所述超声波换能器的型号为MA40S4S，其工作频率为40kHz，最大输入电压为20V。

进一步，所述上支撑板和下支撑板上各分布有100颗所述超声波换能器；上支撑板和下支撑板之间通过长度为127.5mm的铜柱进行支撑。

本发明还公开了一种采用所述基于FPGA的双阵列对射驻波场超声波悬浮与操纵系统的操纵方法，包括以下步骤：

s1.利用已知悬浮颗粒的尺寸、密度、形状和在其在声场中的位置、运动轨迹、运动姿态以及运动速度，逆向求解出两块对射的超声波换能器阵列上各个 MA40S4S的超声波换能器在微粒控制每一瞬时的相位以及占空比的信息；

s2.计算出用户指定声场运动下所有超声波换能器的相位与占空比后，形成相应的特定的二进制指令传输进入QuartusII软件中。

s3通过QuartusII软件，对超声相控阵列所需的时序电路进行输入设计、时序约束、分析综合、布局布线和板级调试。

本发明的有益效果：

1.本发明采用基于FPGA设计的时序电路进行操作控制，使相位输出延时误差极大降低，颗粒动态操纵更加敏锐。

2.本发明采用两块10*10分布的超声波阵列对射很好的避免了一块超声波阵列发射板对应一块平板反射板时对两块平板之间间距高度的严格计算要求，对射平板可以更容易实现稳定且强声压场的驻波。

3.本发明能够实现动态非接触式悬浮微粒，对于一些例如手表零部件等精密易损器件以及生物医疗领域的需要无菌非接触式操作的细胞、生物体等提供了积极作用。

4.本发明的控制模式多样化，可以提供足够的轴向力和径向力，可以实现三维动态以及单体姿态的变化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的超声波悬浮器支撑结构示意图；

图2为本发明的超声波换能器MA40S4S结构示意图；

图3为本发明的放大电路原理图；

图4为本发明的驱动模块输出电路原理图；

图5为本发明的驱动模块输入电路原理图；

图6为本发明的PWM波寄存器示意图。

具体实施方式

本实施例的基于FPGA的双阵列对射驻波场超声波悬浮与操纵系统，包括上支撑板、下支撑板、分布于所述上支撑板和下支撑板上的若干个超声波换能器以及用于对所述超声波换能器进行驱动的驱动模块；

如图1所示，上下两块支撑板各布置100颗超声波换能器，布置于通过3D 打印制成的两块支撑板上面，上下两块支撑板之间用四根长度为127.5mm的铜柱隔离开并支撑住，即图中的铜柱1；下支撑板底部用四根长度为50mm的铜柱作为底部支座，即图中的铜柱2；上下两块支撑板是尺寸为150mm*150mm*2mm的超声波换能器底座，即图中的支撑板3。

图2为日本MURATA公司的MA40S4S设备结构图的主视图和俯视图，超声波换能器的直径公称尺寸为10mm，引脚长度为10mm，超声换能器圆柱部分高度为 7.1mm，工作频率位40kHz，最大输入电压为20V。

图3为结合TC4427COA的放大电路原理图，本实施例一共使用了50个 TC4427COA芯片，图3中仅给出三个示意。本实施例是使用100个TC4427COA芯片相互并联，焊接在事先设计绘制并印刷出来的PCB空板上，每个TC4427COA 有8个引脚，2号和4号引脚作为输入接收由FPGA传输过来的小交流电信号的两路PWM波；5号和7号引脚作为输出，在经过放大电路后放大为单个超声波换能器单元所需额定的20V工作电压，接在两个超声波换能器MA40S4S的信号引脚上；3号引脚接地；6号引脚并联两个4.7uF的电容连接在外接稳压电源提供的Vcc上。在电路原理图设计好之后，对PCB板进行布局布线，上丝印等，最后制成一个四层PCB板。然后将100个TC4427COA的芯片以及其他的电阻电容等元器件以及排针等焊接上PCB板子上。这个驱动模块就很好的实现了从FPGA 的小交流信号在稳压电源提供的20V下，给对射超声波换能器提供工作电压和功率。

图4为驱动模块上50路放大信号的输出端的电路设计，本发明100路PWM 波使用了两块图4的电路，然后用母针插座连接器焊接在自制的PCB板子上，用于自己设计的驱动电路模块上引出杜邦线连接到100个MA40S4S超声波换能器的引脚之上。

图5为驱动模块上50路放大信号的输入端的电路设计，本发明100路PWM 波使用了两块图5的电路，然后用母针插座连接器焊接在自制的PCB板子上，用于自己设计的驱动电路模块上引出杜邦线连接到100个FPGA的I/O引脚上，接受FPGA输入的小交流控制信号。

图6为QuatusII13.0中导出的PWM波寄存器模块示意图，图6中仅展示3 个，一共100个PWM波寄存器，都是使用类似原理。每个PWM波寄存器模块分别有50MHz的系统时钟信号输入，低电平复位信号输入，使能信号输入，D触发器信号输入以及一个Q输出PWM波信号组成一个PWM波寄存器模块。

采用本实施例的超声波悬浮系统对微粒进行悬浮的方法，包括以下步骤：

s1.首先是根据计算超声学的理论知识，对实验设备两块对射超声相控阵列之间形成的声场进行理论计算与分析，将相应理论计算公式与所需实现的声场进行应用，在PC中的Matlab软件环境下使用算法进行求解，实现在用户通过键盘、鼠标来输入参数，如已知悬浮颗粒尺寸、密度、形状等固有特性，并且已知在声场中的位置、运动轨迹、运动姿态以及运动速度，能够逆向求解出两块对射的超声波换能器阵列上共200个MA40S4S的超声波换能器在微粒控制每一瞬时的相位以及占空比的信息。

s2.在PC中通过算法计算出用户指定声场运动下所有超声波换能器的相位与占空比后，形成相应的特定的二进制指令传输进入QuartusII中去。

s3.本发明用的是Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE10F17C8型号芯片的FPGA来进行两块对射超声波相控阵列的时序电路的设计，综合分析与仿真验证。然后，通过Altera公司的EDA工具QuartusII 13.0软件，对超声相控阵列所需的时序电路进行输入设计、时序约束、分析综合、映射(布局布线)，以及板级调试。当在QuartusII中设计好逻辑电路后，在ModelSim软件中进行仿真，首先进行前仿真，也就是RTL级(寄存器级)仿真，对本发明所设计的电路进行功能仿真；当功能仿真验证正确后，便进行考虑实际布局布线的门级仿真，观察ModelSim中时序仿真所得到的PWM波形是否满足超声相控阵列的实际需求。当仿真验证满足需要后，将设计的硬件电路通过EDA工具QuartusII 通过采用全双工，异步通信的UART传输线，烧录进FPGA开发板中，进行板级调试。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。