[发明专利]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

说明书

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。

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：