阅读说明：本技术 一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路 (processing circuit suitable for acoustic Doppler measures velocity of flow ) 是由 葛自平 马勋宝 谢华伟 殷宗亮 夏雨 吴丹 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路,电源电路、主控电路、通信接口电路、发射驱动电路、收发转换电路、声换能器和接收电路；所述电源电路的一端和所述主控电路相连,所述主控电路分别与所述通信接口电路、所述接收电路相连；所述电源电路的另一端和所述发射驱动电路相连,所述发射驱动电路和所述收发转换电路相连,所述收发转换电路和所述声换能器相连；所述换能器和所述接收电路相连；所述接收电路还和所述收发转换电路相连。本发明提供的适用于声波多普勒测量流速的处理电路,电路集成度高、功耗低。(The invention discloses a processing circuit suitable for measuring the flow velocity by acoustic Doppler, which comprises a power circuit, a main control circuit, a communication interface circuit, a transmitting drive circuit, a transmitting-receiving conversion circuit, an acoustic transducer and a receiving circuit, wherein the main control circuit is connected with the transmitting drive circuit; one end of the power supply circuit is connected with the main control circuit, and the main control circuit is respectively connected with the communication interface circuit and the receiving circuit; the other end of the power supply circuit is connected with the transmitting drive circuit, the transmitting drive circuit is connected with the transmitting-receiving conversion circuit, and the transmitting-receiving conversion circuit is connected with the acoustic transducer; the transducer is connected with the receiving circuit; the receiving circuit is also connected with the transceiving switching circuit. The processing circuit suitable for measuring the flow velocity by the acoustic Doppler has high circuit integration level and low power consumption.)

一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路

技术领域

本发明涉及声波多普勒测量流速的技术领域，更具体的说是涉及一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路。

背景技术

声波多普勒测量流速装置，如多普勒计程仪和声学多普勒水流剖面仪，被广泛用于水面船只、水下拖体、AUV、UUV等的控制和高精度导航中。而水下拖体、AUV、UUV等设备要求声波多普勒测量流速装置的重量、尺寸和功率要小。而声波多普勒测量流速装置主要包含声换能器、处理电路板及壳体。壳体的大小主要取决于处理电路板大小及数量，所以为了满足声波多普勒测量流速装置的尺寸小、功耗低，那么处理电路集成度要高、功耗要低。

因此，如何提供一种电路集成度高的适用于声波多普勒测量流速的处理电路是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路，电路集成度高、功耗低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路，包括：电源电路、主控电路、通信接口电路、发射驱动电路、收发转换电路、声换能器和接收电路；

所述电源电路的一端和所述主控电路相连，所述主控电路分别与所述通信接口电路、所述接收电路相连；

所述电源电路的另一端和所述发射驱动电路相连，所述发射驱动电路和所述收发转换电路相连，所述收发转换电路和所述声换能器相连；所述换能器和所述接收电路相连；所述接收电路还分别和所述收发转换电路以及所述主控电路相连。

优选的，所述电源电路包括：第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和第三DC/DC模块；

直流24V供电电源经过所述第一DC/DC模块产生直流12V和直流5V，

其中，直流12V为所述发射驱动电路中的MOS管Q3提供偏置电源；

直流5V为所述通信接口电路和所述接收电路供电；

直流5V经过所述第三DC/DC模块产生直流3.3V，直流3.3V为所述主控电路供电；

直流24V供电电源经过所述第二DC/DC模块产生直流48V电源，直流48V电源给所述发射驱动电路提供发射能量。

优选的，所述主控电路包括：ARM微处理器、UART单元、TIM单元和ADC单元；

所述UART单元与所述通信接口电路相连；

所述TIM单元和所述发射驱动电路相连；

所述ADC单元和所述接收电路相连。

优选的，所述发射驱动电路包括：恒流源电路、功率驱动电路和发射耦合电路；

所述恒流源电路包括：MOS管Q1、稳压二极管V1、电位器W1、电阻R1、电阻R2和电容C1；

所述电阻R2一端与直流48V电源相连，另一端与所述MOS管Q1的漏极相连；所述MOS管Q1的源极和电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；

所述电位器W1的一端与所述电阻R2的一端相连，且连接直流48V电源；

所述电位器W1的另一端通过所述电阻R1接地；

所述电位器W1的调节端与所述MOS管Q1的栅极相连；

所述电位器W1的两端并联有所述稳压二极管V1，且所述稳压二极管V1的正极连接在所述电位器W1和所述电阻R1之间；

所述功率驱动电路包括：MOS管Q2、MOS管Q3、开关K1、开关K2、电阻R3、电容C2和稳压二极管V2；

所述MOS管Q2的漏极和所述MOS管Q1的源极相连，源极和所述MOS管Q3的漏极相连；所述MOS管Q3的源极接地；

所述MOS管Q2的栅极与所述开关K1相连；

所述MOS管Q3的栅极与所述开关K2相连；

其中，所述开关K1和所述开关K2与所述主控电路的TIM单元相连；

所述开关K1与所述稳压二极管V2的负极相连；所述稳压二极管V2的正极连接所述电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端与所述开关K2相连；

所述电容C2一端连接在所述稳压二极管V2的负极和所述开关K1之间，另一端连接在所述所述MOS管Q2的源极和所述MOS管Q3的漏极之间；

所述发射耦合电路包括：电容C3、电感L1和变压器T1；

所述电容C3一端连接在所述MOS管Q2的源极和所述MOS管Q3的漏极之间，另一端与所述变压器T1的初级线圈一端相连；

所述电感L1一端与所述MOS管Q3的源极相连，另一端与所述变压器T1的初级线圈的另一端相连；

所述变压器T1的次级线圈与所述收发转换电路相连。

优选的，所述收发转换电路包括：二极管组件D1和二极管组件D2；

所述二极管组件D1和所述二极管组件D2均由极向相反的两个二极管并联而成；

所述二极管组件D1的一端与所述变压器T1的次级线圈相连，另一端与所述声换能器的一端相连，所述声换能器的另一端接地；

所述二极管组件D2并联在所述声换能器的两端。

优选的，包括4个所述声换能器；且每个所述声换能器均对应连接所述二极管组件D1和所述二极管组件D2。

优选的，所述接收电路包括：4组相同结构的滤波电路，分别用于对应处理4个声换能器接收到的回波信号；

每组滤波电路包括依次连接的第一级带通滤波电路、第一级放大电路、第二级带通滤波电路和第二级放大电路；其中，所述第二级放大电路和所述ADC单元相连；

所述第一级带通滤波电路由电容C4和变压器T2初级线圈相连组成，并联在所述二极管组件D2的两端；

所述第二级带通滤波电路由变压器T3次级线圈和电容C5相连组成，连接在所述第一放大电路和所述第二级放大电路之间。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了适用于声波多普勒测量流速的处理电路，发射驱动电路采用PWM技术、恒流技术和磁集成技术，从而提高发射效率、热稳定性和电路集成度，同时降低发送电路功耗。

主控电路采用ARM微处理器，由于ARM微处理器内部资源丰富，***器件较少，提高了电路集成度。并且电路控制灵活，功耗低，可靠性高。

此外，本发明的接收电路采用二阶无源带通滤波方式，使得通频带带内平坦度，带外衰减陡峭。元器件以表贴为主，并以四层板布线，减少空间回馈及地线串扰，从而提高电路的稳定性和抗干扰能力，大大改善了接收灵敏度。

本发明公开提供了适用于声波多普勒测量流速的处理电路，系统架构精练，功能模块齐全。系统处理电路中多处采用无源器件，如发射电路中采用功率变压器，该功率变压器具有阻抗变换和选频放大功能。接收电路中采用中周对前置小信号进行选频放大。电路中采用无源器件具有不会引入干扰源和无源器件自身消耗功耗很小等特点，从而使得整个系统电路功耗低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的适用于声波多普勒测量流速的处理电路的示意图；

图2为本发明提供的电源电路的示意图；

图3为本发明提供的主控电路的示意图；

图4为本发明提供的通信接口电路的示意图；

图5为本发明提供的发射驱动电路的示意图；

图6为本发明提供的收发转换电路的示意图；

图7为本发明提供的接收电路的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1～7，本发明实施例公开了一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路，包括：电源电路1、主控电路2、通信接口电路3、发射驱动电路4、收发转换电路5、声换能器6和接收电路7；

电源电路1的一端和主控电路2相连，主控电路2分别与通信接口电路3、接收电路7相连；

电源电路1的另一端和发射驱动电路4相连，发射驱动电路4和收发转换电路5相连，收发转换电路5和声换能器6相连；换能器和接收电路7相连；接收电路7还分别和收发转换电路5以及主控电路2相连。

电源电路1将直流24V供电电源转换成处理电路中各元器件所需的工作电源；

主控电路2产生声源电信号；采集经接收电路7处理的回波信号进行算法处理解算出流速；

通信接口电路3实现所述的主控电路2与外部进行信息交互；

发射驱动电路4将声源的电信号进行功率放大并加载到所述的声换能器6上；

收发转换电路5对声换能器6发射和接收进行隔离转换；

声换能器6为收发合置换能器，将声源的电信号转换成声信号向流体中发射出去；将从流体中接收到的回波声信号转换为电信号；

接收电路7拾取声换能器回波电信号进行放大、滤波。

参见附图1和2，为了进一步优化上述技术方案，电源电路1包括：第一DC/DC模块、第二DC/DC模块和第三DC/DC模块；

直流24V供电电源经过第一DC/DC模块产生直流12V和直流5V，

其中，直流12V为发射驱动电路4中的MOS管Q3提供偏置电源；

直流5V为通信接口电路3和接收电路7供电；

直流5V经过第三DC/DC模块产生直流3.3V，直流3.3V为主控电路2供电；

直流24V供电电源经过第二DC/DC模块产生直流48V电源，直流48V电源给发射驱动电路4提供发射能量。

直流24V供电电源，经DC/DC模块N1产生直流12V和直流5V，直流12V给发射驱动电路4MOS管Q3提供偏置电源，直流5V给处理电路的其他元器件供电；直流5V经过DC/DC模块N3产生直流3.3V，直流3.3V给ARM微处理器供电；直流24V供电电源经过DC/DC模块N2产生48V电源，48V电源给发射驱动电路4提供发射能量。

参见附图1和3，为了进一步优化上述技术方案，主控电路2包括：ARM微处理器、UART单元、TIM单元和ADC单元；

UART单元与通信接口电路3相连；

TIM单元和发射驱动电路4相连；

ADC单元和接收电路7相连。

主控电路2选用ARM微处理器，由于ARM微处理器内部资源丰富，包含AD，TIM和UART等功能部件，所需***器件较少，使得电路板件器件减少。由ARM处理器产生PWM脉冲，利用脉冲宽度调制方式来实现功率控制，从而提高发射效率、热稳定性及电路的可靠性；回波电信号经ARM微处理器AD采样转化成数字信号，再经算法处理解算出流速；ARM微处理器UART通过通信接口电路3与外部进行信息交互。

参见附图1和5，为了进一步优化上述技术方案，发射驱动电路4包括：恒流源电路、功率驱动电路和发射耦合电路；

恒流源电路包括：MOS管Q1、稳压二极管V1、电位器W1、电阻R1、电阻R2和电容C1；

电阻R2一端与直流48V电源相连，另一端与MOS管Q1的漏极相连；MOS管Q1的源极和电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；

电位器W1的一端与电阻R2的一端相连，且连接直流48V电源；

电位器W1的另一端通过电阻R1接地；

电位器W1的调节端与MOS管Q1的栅极相连；

电位器W1的两端并联有稳压二极管V1，且稳压二极管V1的正极连接在电位器W1和电阻R1之间。

恒流源电路由MOS管Q1、稳压二极管V1、电位器W1、电阻R1、电阻R2和电容C1组成。其工作原理：通过调节电位器W1，在MOS管漏极与源级之间产生偏置电压，使得MOS管Q1工作在饱和区，此时MOS管Q1相当于压控电流源，给电容C1充电。当直流48V电源波动或者温度变化时，导致V_GS波动，当V_GS增大时I_D增大，使得V_DS减小，K减小，此时I_D保持不变，达到实现恒流效果，从而提高电路的稳定性。

功率驱动电路包括：MOS管Q2、MOS管Q3、开关K1、开关K2、电阻R3、电容C2和稳压二极管V2；

MOS管Q2的漏极和MOS管Q1的源极相连，源极和MOS管Q3的漏极相连；MOS管Q3的源极接地；

MOS管Q2的栅极与开关K1相连；

MOS管Q3的栅极与开关K2相连；

其中，开关K1和开关K2与主控电路2的TIM单元相连；

开关K1与稳压二极管V2的负极相连；稳压二极管V2的正极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端与开关K2相连；

电容C2一端连接在稳压二极管V2的负极和开关K1之间，另一端连接在MOS管Q2的源极和MOS管Q3的漏极之间。

功率驱动电路由功率MOS管Q2、Q3、开关K1、K2，电阻R3、电容C2和稳压二极管V2组成。其工作原理是：功率MOS管Q2、Q3组成半桥电路，电阻R3、电容C2和稳压二极管V2组成自举电路，由主控电路2提供PWM脉冲信号(TX+和TX-)控制功率MOS管Q2、Q3开关。让电容C1能量有序加载到发射耦合电路上。半桥驱动及功率输出回路工作在开关状态，效率高(达96％)，温升小。

发射耦合电路包括：电容C3、电感L1和变压器T1；

电容C3一端连接在MOS管Q2的源极和MOS管Q3的漏极之间，另一端与变压器T1的初级线圈一端相连；

电感L1一端与MOS管Q3的源极相连，另一端与变压器T1的初级线圈的另一端相连；

变压器T1的次级线圈与收发转换电路5相连。

发射耦合电路由电容C3、电感L1和变压器T1组成。其工作原理：电容C3和电感L1组成谐振选频滤波网络，输出所需频率发射源信号加载到4个声换能器6上。变压器T1实现阻抗变换及隔离，因电感L1存在内阻，变压器T1存在铜损和铁损，并且两者体积也较大，通过采用磁集成技术，将电感L1与变压器T1集成在一起，从而能减小部分能量损耗，并且减少了电感L1在印制板上占用的空间，从而降低电路功耗，提高了电路的集成度。

参见附图1和6，为了进一步优化上述技术方案，收发转换电路5包括：二极管组件D1和二极管组件D2；

二极管组件D1和二极管组件D2均由极向相反的两个二极管并联而成；

二极管组件D1的一端与变压器T1的次级线圈相连，另一端与声换能器6的一端相连，声换能器6的另一端接地；

二极管组件D2并联在声换能器6的两端。

收发转换电路5由二极管组件D1和二极管组件D2组成。工作原理：二极管组件D1和二极管组件D2均是由极向相反、导通电压合适的二极管对并联而成。二极管组件D1与声换能器6串连，二极管组件D2与声换能器6并联连。当发射时，发射源电压峰峰值很大有几百伏，发射源能通过二极管组件D1，而在二极管组件D2上形成短路，相当于把接收端电路关闭；当接收时，回波信号电压很小，二极管组件D2导通，二极管组件D1未能开启，相当于把发射端电路关闭，从而实现声换能器6收发的自动转换。

参见附图1和6，为了进一步优化上述技术方案，包括4个声换能器6；且每个声换能器6均对应连接二极管组件D1和二极管组件D2。

参见附图1和7，为了进一步优化上述技术方案，接收电路7包括：4组相同结构的滤波电路，分别用于对应处理4个声换能器6接收到的回波信号；

每组滤波电路包括依次连接的第一级带通滤波电路、第一级放大电路、第二级带通滤波电路和第二级放大电路；其中，所述第二级放大电路和所述ADC单元相连；

第一级带通滤波电路由电容C4和变压器T2初级线圈相连组成，并联在二极管组件D2的两端；

第二级带通滤波电路由变压器T3次级线圈和电容C5相连组成，连接在第一放大电路和第二级放大电路之间。

接收电路7是由4组完全一样的滤波电路组成，分别处理4个声换能器6接收到的回波信号。滤波电路采用二阶无源带通滤波方式，第一级带通滤波电路，是由电容C4和变压器T2初级线圈组成LC滤波网络。变压器T2实现阻抗变换及隔离，信号经过放大器进行前级放大，再经过变压器T3实现阻抗变换及隔离；第二级带通滤波电路，是由电容C5和变压器T3次级线圈组成LC滤波网络，信号经过放大器进行再次放大。滤波电路采用二阶带通滤波方式使得通频带带内平坦度，带外衰减陡峭。PCB板设计时，元器件以表贴为主，并以四层板布线，减少空间回馈及地线串扰，从而提高电路的稳定性和抗干扰能力，大大改善了接收灵敏度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。