一种超声波驱动电路、驱动方法及超声肺功能仪与流程

本发明涉及超声波技术领域，尤其涉及一种超声波驱动电路、驱动方法及超声肺功能仪。

背景技术：

随着经济发展，环境污染越来越严重，导致越来越多的人患有呼吸系统疾病。肺功能检查是呼吸系统疾病的必要检查之一，通过肺功能仪测量肺部功能，达到检测呼吸系统异常的目的。对于早期检出肺、呼吸道病变，如慢性支气管炎、肺气肿、支气管哮喘、间歇性肺病等有重要的指导意义。

肺功能仪的核心技术就是传感器技术，重点是流量传感器。现在大部分肺功能仪流量测量是采用涡轮或压差传感器进行测量。涡轮式流量计，原理是依据转动部件(叶轮或涡轮)的转动速度与流体速度成正比的特性进行测量。气流通过时推动叶轮或涡轮转动，叶轮式采用光电调调制原理，通过光电效应，涡轮式采用磁电调制原理，通过磁电效应，把叶轮或涡轮的机械转动信号转换成电信号输出。由于叶轮的运动惯性和转轴与轴承间摩擦力矩等因素，会影响传感器的精度。压差式流量传感器线性度好比较准确，但传统的压差式流速传感器采用金属筛网，需要温度和压力补偿，受干扰因素多，需要线性校正。当流量大时压差也大，呼吸阻力也就大，而且水汽容易在上面凝结从而造成流速测量误差,为避免水气的凝结还需要加温装置，但加温会使气体膨胀而测量误差更大，而且清洗消毒后都需要晾干后才能使用。

为了解决上述问题，现在提出了采用超声流量传感器进行测量。超声流量传感器，其原理是利用超声波必须借助介质传播，顺着流量的方向，超声传播会加快；逆着流量的方向，超声传播会减慢。那么其时间差，就是流量。超声气体流量测量技术，则具有灵敏度高(对微弱气流也非常敏感)，线性度好，测试精确，不受呼出气体的密度、粘性、湿度和温度等参数的影响，重复性好，稳定性好，免校准，呼吸阻力小，容易消毒避免交叉感染。

但是现在的超声流量传感器在工作时，需要产生一个持续的固定的驱动信号，这样的工作方式，需要消耗较多的能量，如此超声流量传感器需要在连接市电的情况下工作，或者需要给超声流量传感器佩戴一个较大的电池设备，如此无法实现超声肺功能仪的便携性。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种更加节能的超声波驱动电路、驱动方法及超声肺功能仪。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种超声波驱动电路，包括处理器、升压驱动模块、第一发射接收模块、第二发射接收模块、信号放大模块以及为各模块供电的电源模块，所述处理器分别与升压驱动模块、第一发射接收模块、第二发射接收模块和信号放大模块连接，所述升压驱动模块分别与第一发射接收模块和第二发射接收模块连接，所述信号放大模块分别与第一发射接收模块和第二发射接收模块连接；

所述升压驱动模块用于将电源模块提供的电压升压为驱动电压，并采用驱动电压驱动第一发射接收模块和第二发射接收模块发射超声波。

进一步，所述第一发射接收模块包括第一超声波头、第一电阻、第二电阻、第一nmos管和第一电容；

所述第一超声波头的正极分别与第一电阻的一端、第二电阻的一端和第一电容的一端连接，所述第一电阻的另一端连接至驱动电压，所述第二电阻的另一端与第一nmos管的漏极连接，所述第一nmos管的栅极与处理器连接，所述第一电容的另一端与信号放大模块连接，所述第一超声波头的负极和第一nmos管的源极均接地。

进一步，还包括信号屏蔽电路和电子开关芯片，所述信号放大模块通过屏蔽电路与电子开关芯片连接，所述处理器分别与信号屏蔽电路和电子开关芯片连接。

进一步，所述信号屏蔽电路包括第三电阻、第四电阻、第二nmos管、第三nmos管、第二电容和第三电容；

所述第三电阻的一端与信号放大模块的第一输出端连接，所述第三电阻的另一端分别与第二nmos管漏极和第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与电子开关芯片的第一输入端连接；

所述第四电阻的一端与信号放大模块的第二输出端连接，所述第四电阻的另一端分别与第三nmos管漏极和第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端与电子开关芯片的第二输入端连接；

所述处理器分别与第二nmos管的栅极和第三nmos管的栅极连接，所述第二nmos管的源极和第三nmos管的源极均接地。

进一步，在所述电子开关芯片的输出端还设有二级信号放大模块。

进一步，所述升压驱动模块包括第五电阻、第六电阻、第四电容、第五电容、电感、第四nmos管、二极管和第六电容；

所述电感的一端分别与电源模块、第四电容的一端和第五电容的一端连接，所述电感的另一端分别与第四nmos管的漏极和二极管的正极连接，所述二极管的负极通过第六电容接地，且从二极管的负极获得驱动电压，所述二极管的负极依次通过第五电阻和第六电阻接地，并从第五电阻和第六电阻的连接点处获取电压反馈至处理器，所述第四nmos管的栅极连接至处理器，所述第四nmos管的源极、第四电容的另一端和第五电容的另一端均接地。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种超声波驱动方法，包括以下步骤：

将电源模块提供的电压升压为驱动电压；

按照预设方式轮流采用驱动电压驱动第一发射接收模块和第二发射接收模块发射超声波信号，以使第一发射接收模块和第二发射接收模块相互接收对方发射的超声波信号；

对采集的超声波信号转换为电信号，并对电信号放大后传输至处理器。

进一步，还包括以下步骤：

根据电信号计算超声波在第一发射接收模块和第二发射接收模块之间的时间差；

根据时间差计算第一发射接收模块和第二发射接收模块之间气体的流速。

本发明所采用的第三技术方案是：

一种超声肺功能仪，包括吹气管和超声波驱动电路，所述超声波驱动电路采用上所述的一种超声波驱动电路。

进一步，还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与超声波驱动电路连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的超声波驱动电路，通过将电源模块提供的电压升压为驱动电压，并采用驱动电压驱动第一发射接收模块和第二发射接收模块发射超声波，无需采样固定频率的驱动信号来驱动，极大地降低驱动电路的能耗，实现更加节能地驱动；同时可以减小电池体积，从而减小了设备的体积，使设备更具有便携性。

附图说明

图1是本发明一种超声波驱动电路的结构框图；

图2是具体实施例中第一发射接收模块的电子电路图；

图3是具体实施例中屏蔽电路和电子开关芯片的电子电路图；

图4是具体实施例中升压驱动模块的电子电路图；

图5是具体实施例中电源模块的电子电路图；

图6是本发明一种超声波驱动方法的步骤流程图；

图7是具体实施例中计算流量的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供了一种超声波驱动电路，包括处理器、升压驱动模块、第一发射接收模块、第二发射接收模块、信号放大模块以及为各模块供电的电源模块，所述处理器分别与升压驱动模块、第一发射接收模块、第二发射接收模块和信号放大模块连接，所述升压驱动模块分别与第一发射接收模块和第二发射接收模块连接，所述信号放大模块分别与第一发射接收模块和第二发射接收模块连接；

所述升压驱动模块用于将电源模块提供的电压升压为驱动电压，并采用驱动电压驱动第一发射接收模块和第二发射接收模块发射超声波。

目前的超声波驱动是通过驱动产生一个持续的固定的驱动信号去驱动超声波头，比如连续产生10个200khz的方波，通过该方波使超声波头发射固定频率的波形，这样的驱动信号需要输出电流，因此需要消耗较多的能量。而本实施例提出的驱动电路，则是通过升压驱动模块将电源模块提供的电压升压至驱动电压，具体地，将电源模块提供的5v电压升压至208v电压，该驱动电压一直加载在超声波头上，此时超声波头类似电容，一直加载一个电压，但不消耗能量，所述第一发射接收模块和第二发射接收模块上设有超声波头，所述超声波头可发射超声波和接收超声波。如此可以降低驱动电路的能耗，进而要求该驱动电路佩戴的电池更小，从而减小了设备的体积，使设备更具有便携性。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述第一发射接收模块包括第一超声波头p1、第一电阻r1、第二电阻r2、第一nmos管q1和第一电容c1；

所述第一超声波头p1的正极分别与第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端和第一电容c1的一端连接，所述第一电阻r1的另一端连接至驱动电压，所述第二电阻r2的另一端与第一nmos管q1的漏极连接，所述第一nmos管q1的栅极与处理器连接，所述第一电容c1的另一端与信号放大模块连接，所述第一超声波头p1的负极和第一nmos管q1的源极均接地。

具体工作时，第一发射接收模块安装在气体流经的上游位置，而第二发射接收模块安装在气体流经的下游位置，即气体流量先经过第一发射接收模块，后经过第二发射接收模块。在本实施例中，所述第二发射接收模块采用采用与第一发射接收模块相同的电路来实现。

具体的工作方式原理为：当测试顺流时间时，即第一发射接收模块发射，第二发射接收模块接收到信号之间的时间。第一nmos管q1的栅极fireup输入一个高电平，第一nmos管q1导通，第一超声波头p1(下称上游超声波头)的2脚电平通过r2被拉到地，当第一nmos管q1的栅极的高电平变回低电平时，第一nmos管q1截止，上游超声波头2脚通过r1接到超声波头驱动电压208v，超声波头由低电压接到高电压的过程会产生相应的频率的超声波，频率根据超声波头自身特性决定，本实施例选择200khz耐高压的超声波头。超声波经过空气传播到达下游超声波头，即第二发射接收模块的超声波头，通过电容(对应第一发射接收模块的第一电容c1)隔直后将信号给到后级放大电路进行处理。

当测试逆流时间时，即第二发射接收模块发射，第一发射接收模块接收到信号之间的时间。同理，下游超声波头由低电压接到高电压的过程会产生相应的频率的超声波，超声波经过空气传播到达上游超声波头(第一超声波头p1)，上游超声波头接收到信号后通过第一电容c1隔直后将信号给到后级放大电路进行处理。

传统的驱动方式是产生一个固定的驱动信号，例如200khz的方波或者正弦波去驱动超声波头，这时超声波头产生的波形频率就是驱动频率，例如200khz，但是这样会产生电流，效果较多的能量。而本实施例中，驱动方式是给超声波头持续加载一个电压，通过控制nmos管的开启与闭合，控制超声波头上的瞬间将电压拉低，如此超声波头就会自身谐振产生一个固定频率的波形，即发射出超声波。通过这种方法可以极大地节约了驱动消耗的电能，从而时设备具体同样的续航时间，却只需配备容量更小的电池，从而减小了设备的体积。

具体地，顺流时间测试和逆流时间测试每隔2.5ms(或者5ms，时间越短精度越高，对硬件处理速度要求越高)交替切换，测试后将顺流时间与逆流时间作差就可以得到时间差，再将时间差乘上系数即可得到流速值。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，还包括信号屏蔽电路和电子开关芯片，所述信号放大模块通过屏蔽电路与电子开关芯片连接，所述处理器分别与信号屏蔽电路和电子开关芯片连接。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述信号屏蔽电路包括第三电阻r3、第四电阻r4、第二nmos管q2、第三nmos管q3、第二电容c2和第三电容c3；

所述第三电阻r3的一端与信号放大模块的第一输出端连接，所述第三电阻r3的另一端分别与第二nmos管q2漏极和第二电容c2的一端连接，所述第二电容c2的另一端与电子开关芯片u1的第一输入端连接；

所述第四电阻r4的一端与信号放大模块的第二输出端连接，所述第四电阻r4的另一端分别与第三nmos管q3漏极和第三电容c3的一端连接，所述第三电容c3的另一端与电子开关芯片u1的第二输入端连接；

所述处理器分别与第二nmos管q2的栅极和第三nmos管q3的栅极连接，所述第二nmos管q2的源极和第三nmos管q3的源极均接地。

当上游超声波头驱动时发射超声波时，自身产生的干扰信号会通过第一电容传到信号放大模块中，如果不对该干扰信号进行处理，则下游超声波头采集的超声波信号会产生一个很强的干扰信号，该干扰信号会和下游超声波头采集的超声波信号一同输入到处理器，这样会干扰到采集到的超声波信号。故本实施例通过信号屏蔽电路来对干扰信号进行屏蔽，以及通过电子开关芯片u1选择输出信号，从而避免干扰信号干扰到采集的信号。为了隔离干扰信号，本实施例加入一个nmos管用于信号屏蔽，上游超声波头驱动测试顺流时间时，第二nmos管q2的栅极输入一个高电平，第二nmos管q2导通接地，这时上游超声波头自身产生的干扰信号就被屏蔽掉，同时电子开关芯片u1的gig_sel引脚设为低电平，这时ch0通道导通，下游超声波头接收的超声波信号通过；ch1通道关闭，上游超声波头的干扰信号截止。

通过上述的信号屏蔽电路和电子开关芯片u1可以很好的屏蔽掉干扰信号，提高了抗干扰能力，更加有利于后续的计算处理工作，提高设备的质量。

进一步作为优选的实施方式，在所述电子开关芯片的输出端还设有二级信号放大模块。

所述二级信号放大模块将放大的信号传输至处理器，进行下一步计算处理。所述二级信号放大模块采用增益可变二级信号放大电路，信号经过电子开关后进行二级放大由于吹气流速越快接收到的超声波信号越弱，所以二级放大电路增益可调，当检测到的流速越快，信号放大倍数越大，流速越慢，放大倍数越小。

当初始化时，放大电路的增益由低到高慢慢调节，通过停止时间是否瞬间增加一个波形周期的方式来检测第一波峰和第二波峰的值，从而初始化结束后设定一个合理的增益值是固定阈值的电压值刚好落在第一波峰和第二波峰正中间。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述升压驱动模块包括第五电阻r5、第六电阻r6、第四电容c4、第五电容c5、电感l1、第四nmos管q4、二极管d1和第六电容c6；

所述电感l1的一端分别与电源模块、第四电容c4的一端和第五电容c5的一端连接，所述电感l1的另一端分别与第四nmos管q4的漏极和二极管d1的正极连接，所述二极管d1的负极通过第六电容c6接地，且从二极管d1的负极获得驱动电压，所述二极管d1的负极依次通过第五电阻r5和第六电阻r6接地，并从第五电阻r5和第六电阻r6的连接点处获取电压反馈至处理器，所述第四nmos管q4的栅极连接至处理器，所述第四nmos管q4的源极、第四电容c4的另一端和第五电容c5的另一端均接地。

本实施例中，通过将电源模块的5v电压升压为208v电压。所述第四电容c4和第五电容c5用于过滤5v电压中的噪音。

所述电源模块可采用如图5所示的电路来实现。

实施例二

如图6所示，本实施例提供一种超声波驱动方法，包括以下步骤：

s1、将电源模块提供的电压升压为驱动电压；

s2、按照预设方式轮流采用驱动电压驱动第一发射接收模块和第二发射接收模块发射超声波信号，以使第一发射接收模块和第二发射接收模块相互接收对方发射的超声波信号；

s3、对采集的超声波信号转换为电信号，并对电信号放大后传输至处理器。

进一步作为优选的实施方式，还包括步骤s4～s5：

s4、根据电信号计算超声波在第一发射接收模块和第二发射接收模块之间的时间差；

s5、根据时间差计算第一发射接收模块和第二发射接收模块之间气体的流速。

以下结合图7对上述方法进行详细解释说明。

参照图7，超声波肺功能仪采用时差法的基本原理：声波在流体中传播时，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则会减小，相同的传播距离就会有不同的传播时间。利用传播时间之差与被测流体流速的关系求取流速，流速乘以管路截面积就是流量。

具体计算方法：超声波顺流从上游超声波换能器传送到下游超声波换能器，则被流体流速加快为：

l/t21＝c+v*cosθ(1)

超声波逆流从下游超声波换能器传送到上游超声波换能器，则被流体流速减慢为：

l/t12＝c-v*cosθ(2)

由(1)-(2)整理，得：

v＝l/(2*cosθ)*[(t12-t21)/(t21*t12)](3)

因为测量得到的顺、逆向上的传播时间t12、t21包含了电路、电缆及换能器等产生的固有电声延时г12，г21须扣除其影响，所以式(3)可以改写为：

v＝l/(2*cosθ)*{[(t12-г12)-(t21-г21)]/[(t21-г21)*(t12-г12)]}(4)

由于两路超声波的电路基本一致，г12＝г21，并且t12和t21的数量级为几百us，г12和г21的数量级为几ns，所以理论上可以忽略г12和г21的影响。

由于管壁及流体内部存在摩擦粘滞作用，实际流体流速在管道载面上存在着流速分布，对于在中心线上的单通道超声波流量计，其测量的流速v实际上是管道截面内直径上的线平均速度，而测量流量需要的是管道内截面的面平均流速vm，它们并不相等。根据流体力学理论，当雷诺数大于4000时，流体呈紊流状态，此时线平均流速与面平均流速之间的关系存在一动力学因子k，即：

vm＝v/k(5)

管路的直径为d，从而可得瞬时体积流量:

q瞬＝vm*π*(d/2)2＝v*π*(d/2)2/k(6)

将(3)代入(6)

q瞬＝π*(d/2)2*l*(1/t21-1/t12)/(2*cosθ*k)(7)

只需测量出t21和t12就可以求出流量q瞬，在连续测量中，只要逐次将测得的q瞬值对时间积分，就可得到任意时间段内的累积流量q。

超声波换能器常见的有收发一体式，收发一体式及发送器和接收器一体的换能器，即既可发送超声波，又可接收超声波，以方便顺流和逆流的测量。

本方法通过高电压的变动来驱动第一发射接收模块和第二发射接收模块发射超声波信号，而不是对超声波头输入固定的驱动信号，如此可以降低驱动电路的能耗，进而要求该驱动电路佩戴的电池更小，从而减小了设备的体积，使设备更具有便携性。

实施例三

本实施例提供了一种超声肺功能仪，包括吹气管和超声波驱动电路，所述超声波驱动电路采用实施例一所述的一种超声波驱动电路。

本实施例与实施例一具有一一对应的关系，因此具有与实施例一相应的功能和有益效果。

进一步作为优选的实施方式，还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与超声波驱动电路连接。

通过无线通讯模块将超声肺功能仪与智能终端进行连接，如此用户可以借助智能终端的显示屏查看超声肺功能仪的测试结果，无需在超声肺功能仪上安装显示屏，极大地减小了超声肺功能仪的体积。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。