超声波穿金属厚壁通信电路系统设计与实现

　　0 引言

　　在工业环境中，许多金属物件的存在使得射频信号难以可靠覆盖。当系统元件被金属障碍物隔离开来时，元件之间的射频通信常常无法进行。对于使用超声信号作为媒介穿越金属厚壁进行数据传输的问题，有研究已经证明是可行的[1]。在工业控制领域常需要穿过金属障碍物传输数字信息。

　　图1为超声穿金属板通信的示意图。金属壁的左边是发射换能器端，传送编码的激励信号。能量经过超声信道，再经过后续的信号采集与处理，恢复发送的数据流序列。该设计方案包括发射探头前端的脉冲信号的产生、功率放大、介质间的粘合、发射探头的电-声转换、刚性器壁对超声信号的透射分析，以及接收端的微弱信号的放大、带通滤波、包络检波、A/D采样转换和后续的FPGA对信号的处理等。

　　1 超声波穿金属厚壁发射电路设计

　　1.1 超声波驱动电路控制原理

　　在超声波穿壁通信系统中，系统接收信号的大小和质量直接取决于发射换能器的驱动信号，由于超声波衰减现象的存在，超声波传感器的驱动电压一般在几十V到几百V之间。应用的频率在几十kHz甚至MHz.采用模拟电路或者单片机产生的控制信号往往难以达到与采用的传感器频率的完美匹配，严重影响系统接收信号的质量。基于以上分析，设计了低压供电并利用电感储能产生高压脉冲激励超声波传感器的电路，同时采用FPGA驱动 IGBT，达到精确控制脉冲电压幅值和频率的目的。

　　如图2所示为驱动电路的框图。主要由控制信号、隔离环节、驱动电路、RLC电路和直流高压等部分组成。控制信号实现脉冲超声波发射控制的功能。隔离电路用来防止发射电路可能对其他电路造成电磁干扰。脉冲信号通过功率绝缘栅场效应管的高速关断来产生，驱动功率绝缘栅场效应管相当于驱动带容性负载的网络。在高频工作时电子开关的电气特性对系统的性能有很大影响，对绝缘栅场效应管电容的充、放电造成的损耗十分显著。为提高脉冲幅值需增强绝缘栅场效应管的开关特性，需要合理的驱动电路，常用的场效应管驱动电路有CMOS缓冲器并联驱动、场效应管对管驱动和双极性三极管功率驱动3种形式[2]。RLC电路通过谐振产生高频信号，通过匹配网络来调谐使电路工作在换能器的谐振频率。直流高压电源由直流逆变器或其他电源模块来实现。

　　由此可见，传感器驱动脉冲宽度的精度直接影响接收信号质量的好坏。

　　1.2 低压电源驱动的超声波发射电路

　　超声波发射电路的激励电压脉冲要求较高，需要一定的幅值，而且脉冲宽度要求越小越好，且须有一定的发射功率。要穿透较厚的工件，就需要较大的电功率转换成声功率。目前超声波发射电路的常用方法主要有电容瞬间放电法、脉冲电源激励法以及RLC谐振法。这几类都需要为电路提供数百V的直流电压，存在严重的安全隐患[3]。为了获得良好的超声波信号，文中设计了一种新型的发射电路，如图3所示。利用储能电感瞬时放电过程产生的脉冲高压激励发射超声探头，采用FPGA精确控制发射脉冲信号的宽度，以达到探头的共振频率。