本發(fā)明涉及超聲波檢測(cè)類儀器設(shè)備的相關(guān)技術(shù)，特別涉及一種超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置及方法。
背景技術(shù)：
由于超聲波在不同成分構(gòu)成的物質(zhì)中傳播的速度存在差別，所以可以利用該特性進(jìn)行物質(zhì)構(gòu)成特征的檢測(cè)，通常將超聲波穿過被測(cè)物體，然后根據(jù)超聲回波的信息得出被測(cè)物體的相關(guān)特征，比如超聲波濃度檢測(cè)、超聲波探傷、超聲波測(cè)距等等。超聲回波的信息最重要的就是時(shí)差，即超聲波從發(fā)射開始到經(jīng)過物體后經(jīng)接收探頭探測(cè)到第一個(gè)回波止所間隔的時(shí)間差。隨著被測(cè)物體種類、大小等的不同，所用超聲波的頻率、超聲回波的時(shí)差大小和精度要求等有很大區(qū)別，比如超聲波濃度檢測(cè)的時(shí)差通常只有10微妙的級(jí)別，而其時(shí)間精度需要到納秒甚至皮秒的級(jí)別，否則測(cè)量結(jié)果的可信度不高。因此如何精確獲取該時(shí)間差是此類應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵所在。例如，在基于超聲波的相對(duì)血容量檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)采用頻率2～5MHz的超聲波，被測(cè)血液容器寬度約2cm，回波時(shí)差約15μs，不同濃度的血液其對(duì)應(yīng)的回波時(shí)差不同，血液透析患者在透析過程中隨著超濾量的不斷變化，血液濃度相應(yīng)改變，根據(jù)超聲回波的時(shí)差信息就可以評(píng)估其總體血容量的相對(duì)變化，由于透析前后血容量的相對(duì)變化只有10％-20％，對(duì)應(yīng)的回波時(shí)差總體變化則只有1.5-3μs，為了顯示出即時(shí)的微小改變，因此對(duì)超聲回波時(shí)差的測(cè)量需要達(dá)到納秒甚至皮秒的級(jí)別。
超聲回波測(cè)時(shí)精度的提高至少取決于兩個(gè)基本方面，其一是測(cè)時(shí)方式的選用，其二是第一個(gè)超聲回波波峰的獲取。在測(cè)時(shí)方式上，傳統(tǒng)的測(cè)時(shí)方法有循環(huán)N次測(cè)時(shí)法、鎖相環(huán)測(cè)時(shí)法、單片機(jī)定時(shí)器直接測(cè)時(shí)法、脈沖計(jì)數(shù)法等，其測(cè)時(shí)精度最高只能達(dá)到100ns級(jí)別，不能滿足基于超聲波的相對(duì)血容量檢測(cè)的要求。超聲回波測(cè)時(shí)精度提高的第二個(gè)方面在于準(zhǔn)確獲取回波的第一個(gè)波峰，而準(zhǔn)確獲取回波的第一個(gè)波峰包括：既不要將干擾信號(hào)誤當(dāng)作第一個(gè)回波，也不要漏掉第一輪甚至第二輪回波；為了檢測(cè)到回波，就需要首先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行過零檢測(cè)，通過過零比較器實(shí)現(xiàn)，但超聲波在穿過被測(cè)物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射或折射現(xiàn)象，低級(jí)別的干擾回波不可避免，因此過零檢測(cè)也會(huì)將干擾信號(hào)同樣當(dāng)成超聲回波，所以過零檢測(cè)之后通常需要進(jìn)行閾值判別，通過滯回比較器或其他閾值判別方法，濾除幅值過低的干擾回波；實(shí)際的超聲回波由于需要起振的過程所以第一輪回波其幅度很小，很可能達(dá)不到固定設(shè)置的某個(gè)閾值，這樣，閾值判別方法就常常會(huì)漏掉第一輪甚至第二輪回波，所測(cè)時(shí)差變長(zhǎng)，聲速變“慢”，例如采用2MHz的發(fā)射頻率，每個(gè)回波的周期為0.5μs，那么漏掉第一輪甚至第二輪回波所對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果與總時(shí)差相當(dāng)，等于無效。因此現(xiàn)有技術(shù)中所采用的過零檢測(cè)以及閾值判別方法，還是有可能會(huì)使得測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)極大偏差的情況。
專利公開號(hào)為CN102697522A的發(fā)明專利中公開了一種在線相對(duì)血容量檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法，其中在線相對(duì)血容量檢測(cè)裝置設(shè)置有處理器、計(jì)時(shí)器、超聲波發(fā)射和接收電路、過零檢測(cè)電路等，該裝置是通過測(cè)定超聲波在血液中的傳播時(shí)間計(jì)算出相對(duì)血容量的，傳播時(shí)間是該裝置最重要的數(shù)據(jù)，通常只有十幾個(gè)微秒，分辨率需達(dá)到10皮秒的級(jí)別，但是該發(fā)明專利檢測(cè)方法中通過過零檢測(cè)電路獲得對(duì)計(jì)時(shí)器的停止計(jì)時(shí)信號(hào)，當(dāng)超聲回波中出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，過零檢測(cè)輸出的停止信號(hào)就出現(xiàn)偏差，而超聲回波中出現(xiàn)干擾雜波是很常見的現(xiàn)象，因此檢測(cè)結(jié)果可靠性明顯不夠。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的第一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置，通過該超聲回波處理裝置在獲取到準(zhǔn)確的超聲回波信息的基礎(chǔ)上才計(jì)算得到超聲波回波信息在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間，對(duì)于具有干擾雜波或漏掉第一超聲回波波峰甚至第二超聲回波波峰的超聲波回波信號(hào)不予采用，因此能夠獲取到精確的超聲波在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間，保證了基于超聲波回波信息的物質(zhì)特征檢測(cè)的檢測(cè)精度。
本發(fā)明的第二目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于上述超聲波回波處理裝置實(shí)現(xiàn)的超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理方法。
本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置，包括微處理器、皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片、波形整形電路、控制門電路、濾波放大電路、過零檢測(cè)電路、與門電路、第一計(jì)數(shù)器、第二計(jì)數(shù)器和第三計(jì)數(shù)器；
所述皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的數(shù)據(jù)IO端口連接微處理器，通過數(shù)據(jù)IO端口接收微處理發(fā)送的控制指令以及發(fā)送計(jì)時(shí)結(jié)果至微處理器；所述皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端連接微處理器，微處理器通過啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端發(fā)送啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)至皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片，啟動(dòng)皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片開始計(jì)時(shí)；所述皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的脈沖信號(hào)輸出端連接波形整形電路的輸入端，波形整形電路的輸出端分別連接第一計(jì)數(shù)器的輸入端和第三計(jì)數(shù)器的輸入端，通過第一計(jì)數(shù)器和第三計(jì)數(shù)器分別對(duì)波形整形電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；
所述控制門電路輸入端分別連接皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的脈沖信號(hào)輸出端、第一計(jì)數(shù)器的輸出端以及微處理器與皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端連接的一端；所述控制門電路的輸出端通過驅(qū)動(dòng)放大電路連接超聲波發(fā)射探頭；所述控制門電路在接收到微處理器發(fā)送的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)且第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)未達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值時(shí)，將皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片輸出的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)放大電路，通過驅(qū)動(dòng)放大電路后發(fā)送至超聲波發(fā)射探頭；
超聲波接收探頭通過濾波放大電路連接過零檢測(cè)電路的輸入端，過零檢測(cè)電路的輸出端和波形整形電路的輸出端分別連接與門電路的兩個(gè)輸入端；
所述與門電路的輸出端連接第二計(jì)數(shù)器的輸入端，通過第二計(jì)數(shù)器為與門電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；第三計(jì)數(shù)器的輸出端連接第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端，通過第三計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)控制第二計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)；
所述第二計(jì)數(shù)器中最低位狀態(tài)輸出端連接第三計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端，通過第二計(jì)數(shù)器啟動(dòng)第三計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；
第二計(jì)數(shù)器的輸出端連接皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端，在第二計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值時(shí)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片通過停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端接收到停止計(jì)時(shí)信號(hào)。
優(yōu)選的，所述濾波放大電路的輸出端通過幅度采集電路連接微處理器。
優(yōu)選的，所述皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的型號(hào)為TDC-GP2。
優(yōu)選的，所述微處理器為MSP430單片機(jī)。
本發(fā)明的第二目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于上述超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置實(shí)現(xiàn)的超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理方法，步驟如下：
S1、微處理器發(fā)送啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)至控制門電路和皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片接收到啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)后開始計(jì)時(shí)；同時(shí)皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片脈沖信號(hào)輸出端發(fā)送的脈沖信號(hào)通過波形整形電路整形后分別發(fā)送至第一計(jì)數(shù)器、第三計(jì)數(shù)器和與門電路；
S2、第一計(jì)數(shù)器接收到波形整形電路發(fā)送的信號(hào)后開始計(jì)數(shù)，控制門電路在接收到微處理器發(fā)送的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)且第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)未達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值時(shí)，將皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)放大電路，通過驅(qū)動(dòng)放大電路后發(fā)送至超聲波發(fā)射探頭，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號(hào)；在第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值時(shí)，控制門電路停止將皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)送的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)放大電路，超聲波發(fā)射探頭停止發(fā)射超聲波信號(hào)；
S3、超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲信波號(hào)通過被測(cè)物體后，由超聲波接收探頭接收，超聲波接收探頭接收到超聲波回波信號(hào)后發(fā)送至濾波放大電路，濾波放大電路進(jìn)行濾波放大處理后發(fā)送至過零檢測(cè)電路，過零檢測(cè)電路進(jìn)行過零檢測(cè)后的信號(hào)發(fā)送至與門電路；
S4、與門電路兩個(gè)輸入端接收到過零檢測(cè)電路和波形整形電路發(fā)送的信號(hào)后，對(duì)兩個(gè)輸入端輸入的信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到第二計(jì)數(shù)器，由第二計(jì)數(shù)器對(duì)與門電路輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；
S5、第二計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)后，啟動(dòng)第三計(jì)數(shù)器針對(duì)波形整形電路輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)谌?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)達(dá)到第三計(jì)數(shù)限值時(shí)，控制第二計(jì)數(shù)器關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器在關(guān)閉前計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值時(shí)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片接收到來自于第二計(jì)數(shù)器發(fā)送停止計(jì)時(shí)信號(hào)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)；
S6、皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片根據(jù)開始計(jì)時(shí)至停止計(jì)時(shí)之間的時(shí)間間隔獲取到計(jì)時(shí)結(jié)果，然后將計(jì)時(shí)結(jié)果發(fā)送至微處理器，微處理器根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果計(jì)算出超聲波信號(hào)在被測(cè)物中的傳播時(shí)間。
優(yōu)選的，第一計(jì)數(shù)器的第一計(jì)數(shù)限值、第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值和第三計(jì)數(shù)器的第三計(jì)數(shù)限值相同。
優(yōu)選的，第一計(jì)數(shù)器的第一計(jì)數(shù)限值比第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值大1，比第三計(jì)數(shù)器的第三計(jì)數(shù)限值大2。
優(yōu)選的，所述微處理器根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果計(jì)算出超聲波信號(hào)在被測(cè)物中的傳播時(shí)間T為：
T＝Tc–n*Tt；
其中n為第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值，Tc為皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片獲取到的計(jì)時(shí)結(jié)果，Tt為皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片脈沖信號(hào)輸出端輸出的脈沖信號(hào)的周期。
優(yōu)選的，所述步驟S6中，微處理器在一定時(shí)間A內(nèi)未接收到來自于皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果時(shí)，控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片復(fù)位重新發(fā)射脈沖信號(hào)，然后回到步驟S1；
若在一定時(shí)間B內(nèi)，微處理器還是未接收到來自于皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果，則控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片重新發(fā)射的脈沖信號(hào)為改變相位后的脈沖信號(hào)；其中B大于A。
優(yōu)選的，所述超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置中的濾波放大電路的輸出端通過幅度采集電路連接微處理器；濾波放大電路放大處理后的信號(hào)發(fā)送至幅度采集電路，幅度采集電路針對(duì)濾波放大電路放大處理后的信號(hào)進(jìn)行幅度采集，并且將幅度采集得到的信號(hào)發(fā)送至微處理器，微處理器根據(jù)幅度采集電路發(fā)送的信號(hào)對(duì)被測(cè)物質(zhì)的相關(guān)特性進(jìn)行判別。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
(1)本發(fā)明超聲波回波處理裝置中包括微處理器、皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片、波形整形電路、控制門電路、濾波放大電路、過零檢測(cè)電路、與門電路、第一計(jì)數(shù)器、第二計(jì)數(shù)器和第三計(jì)數(shù)器。本發(fā)明中采用皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)，根據(jù)該芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果獲取到超聲波在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間，由于該芯片的計(jì)時(shí)精度可以達(dá)到皮秒級(jí)，因此大大提高了超聲波在被測(cè)物體中傳播時(shí)間的計(jì)算精度。另外本發(fā)明通過超聲波接收探頭獲取到超聲波回波信號(hào)后，通過與門電路對(duì)濾波放大和過零檢測(cè)后的超聲波回波信號(hào)與皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的經(jīng)過整形的脈沖信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的吻合比對(duì)，在兩路信號(hào)全部吻合的情況下，才有第二計(jì)數(shù)器控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)。如果超聲波回波信號(hào)中夾雜有干擾波形，因其波寬或間隔不能吻合而被排除，如果漏掉一個(gè)或幾個(gè)回波波峰，則第二計(jì)數(shù)器將在一輪測(cè)試規(guī)定時(shí)間內(nèi)未計(jì)滿時(shí)即被關(guān)閉而無效，因此，無論是在正常的回波基礎(chǔ)上多出來干擾波形還是漏掉了正常的回波，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片都不能得到停止計(jì)時(shí)信號(hào)?？梢?，本發(fā)明超聲波在被測(cè)物中的傳播時(shí)間即皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片從開始計(jì)時(shí)到接收到第一個(gè)回波的時(shí)間是在獲取到準(zhǔn)確有效的時(shí)差原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算得到了，對(duì)于出現(xiàn)干擾雜波或者漏掉第一個(gè)甚至是第二個(gè)超聲回波波峰的超聲波回波信號(hào)，將不予采用。由于本發(fā)明對(duì)干擾雜波采取波形比對(duì)、計(jì)數(shù)和時(shí)長(zhǎng)限定三重甄別技術(shù)將干擾予以排除，而對(duì)于幅度較小的第一個(gè)超聲回波不直接設(shè)置限值，因此通過本發(fā)明既不會(huì)將干擾當(dāng)做第一個(gè)超聲回波波峰，也不會(huì)漏掉第一個(gè)甚至是第二個(gè)超聲回波波峰的情況，大大提高超聲波回波信息獲取的準(zhǔn)確性，保證了基于超聲波回波信息的物質(zhì)特征檢測(cè)的檢測(cè)精度。有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用過零檢測(cè)和閾值判別方法將干擾雜波當(dāng)作第一個(gè)超聲回波，或漏掉第一個(gè)超聲回波波峰甚至第二個(gè)超聲回波波峰而導(dǎo)致傳播時(shí)間檢測(cè)不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。
(2)本發(fā)明超聲波回波處理裝置所采用的電路，只需要在現(xiàn)有超聲波檢測(cè)裝置中增加幾個(gè)小型的數(shù)字電路芯片即可，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
(3)本發(fā)明中當(dāng)超聲波回波信號(hào)中出現(xiàn)干擾或漏掉一個(gè)或多個(gè)回波波峰時(shí)，由于超聲波回波信號(hào)和皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的經(jīng)過整形的脈沖信號(hào)不會(huì)完全吻合，第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)將在未達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值時(shí)即關(guān)閉，這種情況下皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片將不能接收到來自于第二計(jì)數(shù)器發(fā)送停止計(jì)時(shí)信號(hào)。本發(fā)明中微處理器在一定時(shí)間內(nèi)未接收到來自于皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果時(shí)，則控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片復(fù)位重新發(fā)射脈沖信號(hào)，進(jìn)行下一輪的檢測(cè)，直到回波得到與發(fā)射脈沖完全吻合的超聲波回波信號(hào)使得第二計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)能夠達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值為止，當(dāng)微處理器未接收到來自于皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果的時(shí)間更久時(shí)，控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片重新發(fā)射的脈沖信號(hào)為改變相位后的脈沖信號(hào)。因此本發(fā)明中皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片獲取到的計(jì)時(shí)結(jié)果都是在能夠獲取到準(zhǔn)確有效的時(shí)差原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到，大大提高了超聲波回波信息的物質(zhì)特征檢測(cè)的檢測(cè)精度。
附圖說明
圖1是本發(fā)明超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例
本實(shí)施例公開了一種超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置，如圖1所示，包括微處理器、皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片、波形整形電路、控制門電路、濾波放大電路、過零檢測(cè)電路、與門電路、第一計(jì)數(shù)器、第二計(jì)數(shù)器和第三計(jì)數(shù)器。
皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的數(shù)據(jù)IO端口連接微處理器，通過數(shù)據(jù)IO端口接收微處理發(fā)送的控制指令以及發(fā)送計(jì)時(shí)結(jié)果至微處理器；皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端連接微處理器，微處理器通過啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端發(fā)送啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)至皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片，啟動(dòng)皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片開始計(jì)時(shí)。本實(shí)施例中皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片為TDC-GP2芯片，微處理器為MSP430單片機(jī)。TDC-GP2芯片的SPI接口包括數(shù)據(jù)IO端口，通過SPI總線連接MSP430單片機(jī)的SPI接口。TDC-GP2芯片通過SPI接口的數(shù)據(jù)輸入端口接收微處理發(fā)送的控制指令，其中控制指令包括初始化設(shè)置控制指令以及TDC-GP2芯片測(cè)量模式控制指令，本實(shí)施例中微處理器控制TDC-GP2芯片工作于測(cè)量模式2，可測(cè)范圍為500ns-4ms。皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端即為START信號(hào)輸入端，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端即為STOP信號(hào)輸入端。
皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的脈沖信號(hào)輸出端連接波形整形電路的輸入端，波形整形電路的輸出端分別連接第一計(jì)數(shù)器的輸入端和第三計(jì)數(shù)器的輸入端，通過第一計(jì)數(shù)器和第三計(jì)數(shù)器分別對(duì)波形整形電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
控制門電路輸入端分別連接皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的脈沖信號(hào)輸出端、第一計(jì)數(shù)器的輸出端以及微處理器與皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端連接的一端；控制門電路的輸出端通過驅(qū)動(dòng)放大電路連接超聲波發(fā)射探頭；控制門電路在接收到微處理器發(fā)送的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)且第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)未達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值時(shí)，將皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片輸出的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)放大電路，通過驅(qū)動(dòng)放大電路后發(fā)送至超聲波發(fā)射探頭1。
超聲波接收探頭2通過濾波放大電路連接過零檢測(cè)電路的輸入端，過零檢測(cè)電路的輸出端和波形整形電路的輸出端分別連接與門電路的兩個(gè)輸入端；其中超聲波發(fā)射探頭1和超聲波接收探頭2分別設(shè)置于被測(cè)物體3的兩側(cè)。
與門電路的輸出端連接第二計(jì)數(shù)器的輸入端，通過第二計(jì)數(shù)器為與門電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；第三計(jì)數(shù)器的輸出端連接第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端，通過第三計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)控制第二計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)；在第三計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到第三計(jì)數(shù)限值時(shí)，輸出有效信號(hào)至第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端，控制第二計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。
第二計(jì)數(shù)器中最低位狀態(tài)輸出端連接第三計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端，通過第二計(jì)數(shù)器啟動(dòng)第三計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器計(jì)到一個(gè)數(shù)時(shí)，此時(shí)第二計(jì)數(shù)器最低位狀態(tài)輸出端輸出有效信號(hào)，從而啟動(dòng)第三計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過第二計(jì)數(shù)器啟動(dòng)第三計(jì)數(shù)器的目的。
第二計(jì)數(shù)器的輸出端連接皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端，在第二計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值時(shí)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片通過停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端接收到停止計(jì)時(shí)信號(hào)。其中本實(shí)施例中第二計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的第二計(jì)數(shù)限值依據(jù)與門電路接收的超聲波回波信號(hào)與發(fā)射脈沖信號(hào)經(jīng)過整形后的信號(hào)全部吻合情況下所獲取到的計(jì)數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，保證了在與門電路接收的超聲波回波信號(hào)與發(fā)射脈沖信號(hào)經(jīng)過整形后的信號(hào)全部吻合情況下，第二計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值，從而輸出有效信號(hào)至皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端。在與門電路接收的超聲波回波信號(hào)與發(fā)射脈沖信號(hào)沒有全部吻合的情況下，第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)將達(dá)不到第二計(jì)數(shù)限值，此時(shí)第二計(jì)數(shù)器就不會(huì)輸出有效信號(hào)至皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片將接收不到停止計(jì)時(shí)信號(hào)。
本實(shí)施例中皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片根據(jù)從微處理器器接收到的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)以及從第二計(jì)數(shù)器的輸出端接收到的停止計(jì)時(shí)信號(hào)獲取到計(jì)時(shí)結(jié)果，并且將計(jì)時(shí)結(jié)果通過SPI接口中的數(shù)據(jù)輸出端發(fā)送至微處理器。微處理器接收到計(jì)時(shí)結(jié)果后，根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果計(jì)算出超聲波信號(hào)在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間，通過超聲波信號(hào)在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間獲取到被測(cè)物的相關(guān)特性，比如被測(cè)物是血液時(shí)，可以根據(jù)超聲波信號(hào)在血液中的傳播時(shí)間獲取到相對(duì)血容量。
本實(shí)施例中第一計(jì)數(shù)器的第一計(jì)數(shù)限值、第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值和第三計(jì)數(shù)器的第三計(jì)數(shù)限值相同?；蛘叩谝挥?jì)數(shù)器的第一計(jì)數(shù)限值比第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值大1，比第三計(jì)數(shù)器的第三計(jì)數(shù)限值大2。其中第一計(jì)數(shù)器的第一計(jì)數(shù)限值小于15，在本實(shí)施例中第一計(jì)數(shù)器的第一計(jì)數(shù)限值為5，第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值為4，第三計(jì)數(shù)器的第三計(jì)數(shù)限值3。
另外本實(shí)施例上述超聲波回波處理裝置中，濾波放大電路的輸出端通過幅度采集電路連接微處理器，幅度采集電路針對(duì)濾波放大電路放大處理后的信號(hào)進(jìn)行幅度采集，并且將幅度采集得到的信號(hào)發(fā)送至微處理器，微處理器根據(jù)幅度采集電路發(fā)送的信號(hào)對(duì)被測(cè)物質(zhì)的相關(guān)特性進(jìn)行判別。例如當(dāng)被測(cè)物質(zhì)是血液時(shí)，則微處理器根據(jù)幅度采集電路發(fā)送的信號(hào)判斷血液中是否存在氣泡，用作消除氣泡影響等的處理。
本實(shí)施例還公開了一種上述超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理裝置實(shí)現(xiàn)的超聲波檢測(cè)裝置中超聲波回波處理方法，步驟如下：
S1、微處理器發(fā)送啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)至控制門電路和皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片接收到啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)后開始計(jì)時(shí)；同時(shí)皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片脈沖信號(hào)輸出端發(fā)送的脈沖信號(hào)通過波形整形電路整形后分別發(fā)送至第一計(jì)數(shù)器、第三計(jì)數(shù)器和與門電路。
S2、第一計(jì)數(shù)器接收到波形整形電路發(fā)送的信號(hào)后開始計(jì)數(shù)，控制門電路在接收到微處理器發(fā)送的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)且第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)未達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值時(shí)，將皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)放大電路，通過驅(qū)動(dòng)放大電路后發(fā)送至超聲波發(fā)射探頭，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號(hào)；在第一計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值時(shí)，控制門電路停止將皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的脈沖信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)放大電路，超聲波發(fā)射探頭停止發(fā)射超聲波信號(hào)。
S3、超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲信波號(hào)通過被測(cè)物體后，由超聲波接收探頭接收，超聲波接收探頭接收到超聲波回波信號(hào)后發(fā)送至濾波放大電路，濾波放大電路進(jìn)行濾波放大處理后發(fā)送至過零檢測(cè)電路，過零檢測(cè)電路進(jìn)行過零檢測(cè)后的信號(hào)發(fā)送至與門電路。
S4、與門電路兩個(gè)輸入端接收到過零檢測(cè)電路和波形整形電路發(fā)送的信號(hào)后，對(duì)兩個(gè)輸入端輸入的信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到第二計(jì)數(shù)器，由第二計(jì)數(shù)器對(duì)與門電路輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；
S5、第二計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)后，啟動(dòng)第三計(jì)數(shù)器針對(duì)波形整形電路輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)谌?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)達(dá)到第三計(jì)數(shù)限值時(shí)，則控制第二計(jì)數(shù)器關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器在關(guān)閉前的計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值時(shí)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片接收到來自于第二計(jì)數(shù)器發(fā)送停止計(jì)時(shí)信號(hào)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)。
S6、皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片根據(jù)開始計(jì)時(shí)至停止計(jì)時(shí)之間的時(shí)間間隔獲取到計(jì)時(shí)結(jié)果，然后將計(jì)時(shí)結(jié)果發(fā)送至微處理器，微處理器根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果計(jì)算出超聲波信號(hào)在被測(cè)物中的傳播時(shí)間。本步驟微處理器根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果計(jì)算出超聲波信號(hào)在被測(cè)物中的傳播時(shí)間T為：
T＝Tc–n*Tt；
其中n為第二計(jì)數(shù)器的第二計(jì)數(shù)限值，Tc為皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片獲取到的計(jì)時(shí)結(jié)果，Tt為皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片脈沖信號(hào)輸出端輸出的脈沖信號(hào)的周期。其中超聲波信號(hào)在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間T即為Tc扣除n個(gè)回波周期，也就是從啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)送到接收到超聲波信號(hào)第一個(gè)回波的時(shí)間。
其中上述步驟S5中，與門電路針對(duì)兩個(gè)輸入端接收到過零檢測(cè)電路和波形整形電路發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，即對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行吻合比對(duì)，在兩路信號(hào)全部吻合的情況下，第二計(jì)數(shù)器能夠正常完成計(jì)數(shù)，即在關(guān)閉前能夠計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值，從而觸發(fā)皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)。
本實(shí)施例中，若步驟S5中第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)未達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值時(shí)即停止計(jì)數(shù)時(shí)，則皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片不能接收到來自于第二計(jì)數(shù)器發(fā)送停止計(jì)時(shí)信號(hào)，此時(shí)，步驟S6中微處理器在一定時(shí)間A內(nèi)未接收到來自于皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果時(shí)，則控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片復(fù)位重新發(fā)射脈沖信號(hào)；若在一定時(shí)間B內(nèi)，微處理器還是未接收到來自于皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果，則說明多輪的檢測(cè)均失敗，此時(shí)控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片重新發(fā)射的脈沖信號(hào)為改變相位后的脈沖信號(hào)。其中B大于A。其中A和B的值根據(jù)被測(cè)物體的超聲波路徑長(zhǎng)度確定，假設(shè)測(cè)量該路徑超聲波傳播時(shí)長(zhǎng)理論預(yù)估值為t，則A可設(shè)定為t的3倍至5倍，B可設(shè)定為A的3倍至5倍。
本實(shí)施例中的超聲波回波處理方法還包括以下步驟：濾波放大電路放大處理后的信號(hào)發(fā)送至幅度采集電路，幅度采集電路針對(duì)濾波放大電路放大處理后的信號(hào)進(jìn)行幅度采集，并且將幅度采集得到的信號(hào)發(fā)送至微處理器，微處理器根據(jù)幅度采集電路發(fā)送的信號(hào)對(duì)被測(cè)物質(zhì)的相關(guān)特性進(jìn)行判別。例如當(dāng)被測(cè)物質(zhì)是血液時(shí)，則微處理器根據(jù)幅度采集電路發(fā)送的信號(hào)判斷血液中是否存在氣泡，用作消除氣泡影響等的處理。
本實(shí)施例中，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片提供超聲波發(fā)射探頭發(fā)射所需要的脈沖信號(hào)，在接收到微處理器發(fā)送的啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)后開始計(jì)時(shí)，并且由控制門電路根據(jù)啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)以及第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的信號(hào)是否傳送至超聲波發(fā)射探頭，由于開始時(shí)第一計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果肯定未達(dá)到第一計(jì)數(shù)限值，因此皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片在接收到啟動(dòng)計(jì)時(shí)信號(hào)開始計(jì)時(shí)的同時(shí)，輸出的脈沖信號(hào)會(huì)通過門控制電路傳送至超聲波發(fā)射探頭進(jìn)行發(fā)射。在超聲波接收探頭接收到超聲波回波信號(hào)后，依次進(jìn)行濾波放大和過零檢測(cè)后發(fā)送至與門電路，與門電路將接收到的超聲波回波信號(hào)與皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的經(jīng)過波形整形后的脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，若兩路信號(hào)完全吻合，則第二計(jì)數(shù)器可以在未關(guān)閉前就計(jì)數(shù)達(dá)到第二計(jì)數(shù)限值，此時(shí)第二計(jì)數(shù)器輸出有效信號(hào)至皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)信號(hào)輸入端，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)，并且計(jì)算出計(jì)時(shí)結(jié)果，然后傳送給微處理器，微處理器根據(jù)皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果獲取到超聲波在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間，從而判別出被測(cè)物體的相關(guān)特性。本發(fā)明中采用皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)，根據(jù)該芯片的計(jì)時(shí)結(jié)果獲取到超聲波在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間，由于該芯片的計(jì)時(shí)精度可以達(dá)到皮秒級(jí)，因此大大提高了超聲波在被測(cè)物體中的傳播時(shí)間計(jì)算精度。另外本發(fā)明通過超聲波接收探頭獲取到超聲波回波信號(hào)后，對(duì)濾波放大和過零檢測(cè)后的超聲波回波信號(hào)與皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片發(fā)射的經(jīng)過整形的脈沖信號(hào)即原始發(fā)射的脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，在兩路信號(hào)全部吻合的情況下，才有第二計(jì)數(shù)器控制皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)。如果超聲波回波信號(hào)中夾雜有干擾波形，因其波寬或間隔不能吻合而被排除，如果漏掉一個(gè)或幾個(gè)回波波峰，則第二計(jì)數(shù)器將在一輪測(cè)試規(guī)定時(shí)間內(nèi)未計(jì)滿被關(guān)閉而無效，因此，無論是在正常的回波基礎(chǔ)上多出來干擾波形還是漏掉了正常的回波，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片都不能得到停止計(jì)時(shí)信號(hào)?？梢姡緦?shí)施例超聲波在被測(cè)物中的傳播時(shí)間即皮秒級(jí)計(jì)時(shí)芯片從開始計(jì)時(shí)到接收到第一個(gè)回波的時(shí)間是在獲取到準(zhǔn)確有效的時(shí)差原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算得到的，對(duì)于出現(xiàn)干擾雜波或者漏掉第一個(gè)甚至是第二個(gè)超聲回波波峰的超聲波回波信號(hào)，將不予采用。
由于本實(shí)施例對(duì)干擾雜波采取波形比對(duì)、計(jì)數(shù)和時(shí)長(zhǎng)限定三重甄別技術(shù)將干擾予以排除，而對(duì)于幅度較小的第一個(gè)超聲回波不直接設(shè)置限值，因此通過本實(shí)施例方法既不會(huì)將干擾當(dāng)做第一個(gè)超聲回波波峰，也不會(huì)漏掉第一個(gè)甚至是第二個(gè)超聲回波波峰的情況，大大提高超聲波回波信息獲取的準(zhǔn)確性，保證了基于超聲波回波信息的物質(zhì)特征檢測(cè)的檢測(cè)精度。有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用過零檢測(cè)和閾值判別方法將干擾雜波當(dāng)作第一個(gè)超聲回波，或漏掉第一個(gè)超聲回波波峰甚至第二個(gè)超聲回波波峰而導(dǎo)致傳播時(shí)間檢測(cè)不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。