[發明專利]基于FPGA的雙陣列對射駐波場超聲波懸浮與操縱系統及方法

在審

• 申請號: 202011061759.2
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112180794A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 柏龍;林震宇;陳曉紅;孫園喜;楊建興;辛立明
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;B06B1/02
• 代理公司: 北京盛凡智榮知識產權代理有限公司 11616
• 代理人: 張塨

本發明公開了一種基于FPGA的雙陣列對射駐波場超聲波懸浮與操縱系統及方法，系統包括上支撐板、下支撐板、分布于所述上支撐板和下支撐板上的若干個超聲波換能器以及用于對所述超聲波換能器進行驅動的驅動模塊；所述驅動模塊包括若干個相互并聯的芯片；懸浮方法包括以下步驟：s1.利用懸浮顆粒的特征、位置和運動參數，逆向求解出兩塊對射的超聲波換能器陣列上各個超聲波換能器在微粒控制每一瞬時的相位以及占空比的信息；s2.計算出所有超聲波換能器的相位與占空比后傳輸進入軟件中。s3通過軟件，對超聲相控陣列所需的時序電路進行輸入設計、時序約束、分析綜合和板級調試；本發明基于FPGA設計的時序電路進行操作控制，使相位輸出延時誤差極大降低。

技術領域

本發明涉及微粒懸浮領域尤其是非接觸式微米級別物體的懸浮以及三維空間操縱。這對于生物工程、醫療領域的微生物細胞體、液滴顆粒、生物化合物等的非接觸、無污染式控制提出了一種新技術。

背景技術

聲音可以使不同大小和材料的物體懸浮在空氣、水和組織中。這使得我們可以在不接觸或污染細胞、液體、化合物或生物的情況下操作它們。然而，聲學懸浮要求目標被聲學元件包圍或有有限的機動性。在這里，我們優化了用于驅動超聲相控陣的相，使用兩塊對射發射器，基于FPGA的時序電路控制PWM波信號，使聲懸浮可以用于平移、旋轉和操縱粒子。懸浮可以操縱我們體內的粒子，用于靶向給藥或不干擾磁共振成像的聲控微型機器。

現存的超聲相控陣列懸浮系統存在問題于缺點：

1.多數基于單片機的控制，單片機為單條指令順序執行控制外置超聲波換能器，在超聲陣列規模較大時，各條PWM波信號之間延時誤差很大，將直接影響超聲相控陣懸浮系統對微粒的精準控制和準確可靠的動態響應特性。

2.現在的超聲相控陣多為一塊超聲波陣列發射板對應一塊平板反射板的懸浮系統，這將對兩塊平板之間間距高度的嚴格計算要求，對射平板可以更容易實現穩定且強聲壓場的駐波。

因此，需要基于FPGA設計的時序電路進行操作控制，使相位輸出延時誤差極大降低，顆粒動態操縱更加敏銳。

發明內容

本發明的目的是研制一種基于FPGA的對射超聲波相控陣列能夠對多路PWM 波信號進行并行執行控制，使得相控陣的相位和占空比的調節所需的延時僅為納秒級別，能夠對懸浮的微粒實現更加精準的運動控制以及姿態調整，并且實現 0.5mm的空間分辨率。再通過計算設計的功放電路及進行PCB制板、布線、貼片以及焊接形成一個可靠的驅動模塊，然后連接超聲波換能器，實現比以往控制更加精準、空間分辨率更高、動作相應更快的微粒懸浮控制系統。

本發明的基于FPGA的雙陣列對射駐波場超聲波懸浮與操縱系統，包括上支撐板、下支撐板、分布于所述上支撐板和下支撐板上的若干個超聲波換能器以及用于對所述超聲波換能器進行驅動的驅動模塊；

所述驅動模塊包括若干個相互并聯的TC4427COA芯片；每個所述TC4427COA 芯片具有8個引腳，其2號引腳和4號引腳作為輸入接收由FPGA傳輸來的小交流電信號的兩路PWM波；其5號引腳和7號引腳作為輸出，在經過放大電路后放大為單個超聲波換能器單元所需的額定工作電壓，接在兩個所述超聲波換能器的信號引腳上；其3號引腳接地；其6號引腳并聯兩個電容后連接在外接電源上；

進一步，所述超聲波換能器的型號為MA40S4S，其工作頻率為40kHz，最大輸入電壓為20V。

進一步，所述上支撐板和下支撐板上各分布有100顆所述超聲波換能器；上支撐板和下支撐板之間通過長度為127.5mm的銅柱進行支撐。

本發明還公開了一種采用所述基于FPGA的雙陣列對射駐波場超聲波懸浮與操縱系統的操縱方法，包括以下步驟：