专利名称：超声波声场三维成像虚拟实验室的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种专门用于超声波成像的实验平台，具体地说是将实体的超声波成像装置的实验状态和数据，通过因特网发布，提供远程用户如身临其境的虚拟实验室平台。
背景技术：
目前，超声波技术在检测、功率超声、水下通信、超声电子等领域有着广泛的应用。而对超声波在介质中的传播规则的研究，是所有超声波应用技术的基础。为了反映出超声波在介质中的传播规则，常采用对超声波声场成像的实验。但是，传统的对超声声场成像的实验模式有着以下问题
I、国内的相关领域研究者总会做重复的基本实验。例如某学者需要建立超声波在淡水中的传输特性以及声场分布，需要自制设备以实现检测；另一学者需要研究超声波声场在某均匀分布的气体中的分布情况，也需设计设备类似的设备用以实验。2、对于大多从事于基础研究的学者，因为专业知识和精力所限，无法在合理的时间内设计出，用于检测三维空间中声场分布情况的系统，造成大量精力和时间的浪费。如大部分物理或者声学领域的研究者，由于没有机械设计和电子设计的知识背景，难以设计出精密的此类设备。3、对于部分学者或者工程师，在某些情况下需要检测样本中声波的传播情况。如果仅为一两次的实验，而添置此类设备，会造成经济上的浪费。4、部分学者掌握了大量的，不同介质中的声场分布数据，但是因为缺乏在计算机数据处理等领域的知识，无法采用先进的方法分析和处理数据。而部分拥有丰富的计算机数据处理知识的学者，又缺少跨学科的数据素材。
发明内容
本发明目的是解决上述问题，提供一种超声波声场三维成像虚拟实验室，其提供了声学相关研究者一个存在于互联网上的虚拟实验室，任何接入互联网的用户，均可以访问、查询本实验室的数据库，避免了重复性的试验，解决了远程用户没有相关检测设备的问题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的超声波声场三维成像虚拟实验室，其包括一个声波采集装置，一个数据服务器。声波采集装置，用于远程用户通过因特网的访问，包括激励和获取超声波信号的超声波信号处理单元，和控制超声波接收换能器在三维空间中移动的三自由度丝杠滑台单
J Li o其中，所述三自由度丝杠滑台单元包括带动超声波接收换能器移动移动到任意空间坐上的丝杠滑台、用于带动三自由度丝杠滑台运行的步进电机和用于驱动步进电机运行的步进电机驱动器。所述超声波信号处理单元包括脉冲功率放大器、超声波发射换能器、运算放大器电路、用于控制步进电机驱动器的微处理器、用于将运算放大器传递而来的模拟信号转换为数字信号的AD转换电路以及用于获取到的超声波采样信号，并将数据传输到微处理器的可编程逻辑单元即FPGA单元；所述驱动步进电机和可编程逻辑单元均与微处理器相连接，所述运算放大器通过AD转换电路与可编程逻辑单元相连接，所述超声波发射换能器通过脉冲功率放大器连接在微处理器的IO端口上。所述声波采集装置还包括RS232通信模块，其中，所述微处理器将数据通过RS232通信模块发送至数据服务器，完成命令或数据流通。微处理器通过RS232通信模块与数据服务器完成命令或数据流通。其中，ARM微处理器解析到来自服务器的控制步进电机的命令后，通过GPIO(General-Purpose IO ports,也就是通用IO端口)来控制步进电机驱动器驱动步进电机，三个步进电机来带动滑台沿，X、Y、Z三个正交的轴向移动，滑台带动超声波接收换能器移 动，可移动到任意空间坐标(x，y，z)上。其中，ARM微处理器在通过步进电机控制超声波接收换能器移动至所需的空间坐标点后，ARM微处理器在GPIO上产生一个脉冲信号，经脉冲功率放大器放大电压和电流，再通过导线将该信号驱动超声波发射换能器。其中，超声波接收换能器将接受到的超声信号转换为电信号，并又导线传输给运算放大器，放大电压幅值。此后，FPGA控制AD转换器将通过导线由运算放大器传递而来的模拟信号转换为数字信号。FPGA获取到的超声波采样信号后，由GPIO将数据传输到ARM微处理器。ARM微处理器将数据通过RS232通信模块发送至数据服务器。数据服务器，是一台计算机，能提供的功能包括网络服务单元，成像方法管理单元，数据库维护单元。其中，数据服务器所包括的网络服务单元需要维护服务器到因特网的接入，还需要维护Apache网页服务器。网页服务器向远程用户提供了 WEB显示，提供了数据库和远程用户进行数据交互的方法。其中，数据服务器所包括的数据库维护单元，包括声波数据库、绘图方法数据库和采集装置控制程序。所述声波数据库、绘图方法数据库和控制声波采集装置均通过虚拟实验室守护进程提供给网页服务器显示远程用户需要的信息。其中，声波数据库的数据来源可以是本地端的声波采集系统，也可以由授权的远程用户上传。绘图方法数据库的数据来源的来源可以是本地端系统管理员，也可以由授权的远程用户上传。其中，成像方法管理单元包括MATLAB接口程序和绘图方法数据库。MATLAB程序接口可以根据当前用户，在绘图方法数据库和声波数据库中所选择的数据，进行绘制声波图像。所述MATLAB程序接口通过虚拟实验室守护进程提供给网页服务器显示远程用户需要的声波图像信息。其中，MATLAB程序接口绘制完成的声波图像，通过GIF的形式载入到网页中，供远程用户查看；也可以在本地数据服务器端，由采集装置控制程序直接查看。一个由数据服务器维护的WEB界面，提供用户虚拟实验室操作。其中，WEB界面上提供成像区和运行姿态观察和调整区，以及提供注册用户登录、待显示数据选择、上传数据和绘图方法、自定义查询数据的功能选择区；功能选择区包括注册用户登录区、数据选择区、上传数据区、绘图方法上传区以及自定义查询区。其中，WEB界面的成像区是由远程用户选择了数据和绘图方法后进行显示的。其中，远程用户能通过WEB界面上的运行姿态观察和调整区，观察和控制服务器端的声场采集装置。
其中，远程用户能通过WEB界面上传数据和绘图方法至服务器端的数据库。本发明的积极进步效果在于I、提供了声学相关研究者一个存在于互联网上的虚拟实验室，任何接入互联网的用户，均可以访问、查询本实验室的数据库，避免了重复性的试验。2、本虚拟实验室为远程用户提供了上传数据和绘图方法的功能，能让所有使用者充实数据库，共享先进的绘图方法等数据分析方法。3、远程用户可以观察和调整服务器端的声场采集装置的运行姿态，得到用户需要的特殊数据。使得虚拟实验室如同用户身临其境，亲自操作一般。4、远程用户可以向本虚拟实验室本地端的管理员，申请使用其提供的样本作测试，以解决远程用户没有相关检测设备的问题。
图I是本发明超声波声场三维成像虚拟实验室的结构图。图2是本发明中声波采集装置电路结构方框图。图3是本发明中数据服务器软件结构方框图。图4是本发明中远程用户访问界面内容安排示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述图I所示为超声波声场三维成像虚拟实验室的系统结构框图，该系统主要由声波采集装置1，数据服务器2，和远程用户3组成。其中声波采集装置I和数据服务器2属于本地端的实体设备，两者之间的通信依赖于RS232通信接口 4来完成。声波采集系统I在由数据服务器的2的控制下，利用三自由度丝杠滑台单元7来控制系统采样声波采样位置，并通过超声波信号处理单元6来完成原始声波信号的采集。数据服务器端2的数据库维护单位10，管理来自声波采集装置I的声波数据，本地端通过成像方法管理单元9绘制声波的声场分布图像。网络服务单元8负责本地端接入因特网5，因此远程用户3能异地访问数据服务器2端的声波数据。并通过服务器提供的方法，实现足不出户就能得到自定义的声场实验的结果，如同在虚拟存在的实验室完成实际的实验。本发明的本地端声波采集装置I提供了原始的数据，该装置的具体实施如图2所示，核心控制部分是ARM微处理器11，ARM微处理器接接收到来自RS232通信模块22的控制命令，实现控制步进电机驱动器12去驱动三个自由度的步进电机即第一自由度步进电机13、第二自由度步进电机14、第三自由度步进电机15，该第一自由度步进电机13、第二自由度步进电机14和第三自由度步进电机15分别带动的机械装置沿X、Y、Z三个轴向移动超声波接收换能器18，当运行到要求采样的点后停止。ARM微处理器通过通用引脚超声脉冲驱动信号，经脉冲功率放大电路16后,激发超声波发射换能器17产生超声波。声波经介质传播后到达超声波接收换能器18，它输出的微弱电信号经运算放大器19进行放大处理后，送至由FPGA单元21控制的AD换能器20转换为数字信号。该装置反复这个过程，得到所有待测位置的声波数据后，通过RS232通信模块22将数据传输至数据服务器。图3是数据服务器2的软件结构图，其中采集装置控制程序27实现了和声波采集装置I的命令和数据通信，在本地端的用户可以直接运行采集装置控制程序27，控制声波采集装置I完成相应动作。所采集的声波数据和介质样本的模型被保存到声波数据库28中。采集装置控制程序27还能调用MATLAB接口程序23，通过在绘图方法数据库24中选取合理的绘图方法，绘制声场图像。数据服务器2的另一个主要任务是采用Apache网页服务器25维护着虚拟实验室的网页，远程用户3经因特网访问网站，发出请求，并依赖虚拟实验室守护进程26同样可以调用MATLAB接口程序23，实现绘图。此外，虚拟实验室守护进程26还能为远程用户提供上传数据和绘图方法的功能，使得远程用户能上传更佳的方法到绘图方法数据库24，或上传具有特殊特征的声波数据至声波数据库28，供其他用户使用。进而更佳丰富虚拟实验室的实验内容、方法和数据。 图4展示了一个虚拟实验室的WEB实施例，WEB界面29是远程用户3通过浏览器所能观察到的，远程用户3是否为注册用户均可使用该虚拟实验室WEB界面中所提供的功能，而注册用户通过注册用户登陆区30方法登入后，可以由自定义查询区34观察用户自定义的检测方法在服务器本地端的运行状况，登入的用户还能使用功能数据上传区32和绘图方法上传区33，为了保证数据和方法的有效性和安全性，用户上传的数据或者方法均需遵循本发明所要求的标准。此外，也是本发明的最主要功能之一，就是WEB页面提供了成像区36和运行姿态观察和调整区35。远程用户3查看选定介质的波形图是通过成像区36来实现的。登入的用户通过系统服务器管理员的批准后，还可以通过运行姿态观察和调整区35，进行观察或者调整本地端的声场设备的运行状态，如同在虚拟实验室里进行调试。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，其包括 一个声波采集装置，包括激励和获取超声波信号的超声波信号处理单元以及用于控制超声波接收换能器在三维空间中移动的三自由度丝杠滑台单元； 一个数据服务器，用于远程用户通过因特网的访问，其包括用于本地端接入因特网的网络服务单元、用于绘制声波声场分布图像的成像方法管理单元和用于管理来自声波采集装置的声波数据的数据库维护单元； 一个WEB界面，提供用户虚拟实验室操作。
2.根据权利要求I所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述三自由度丝杠滑台单元包括带动超声波接收换能器移动移动到任意空间坐上的丝杠滑台、用于带动三自由度丝杠滑台运行的步进电机和用于驱动步进电机运行的步进电机驱动器。
3.根据权利要求2所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述超声波信号处理单元包括脉冲功率放大器、超声波发射换能器、运算放大器电路、用于控制步进电机驱动器的微处理器、用于将运算放大器传递而来的模拟信号转换为数字信号的AD转换电路以及用于获取到的超声波采样信号，并将数据传输到微处理器的可编程逻辑单元；所述驱动步进电机和可编程逻辑单元均与微处理器相连接，所述运算放大器通过AD转换电路与可编程逻辑单元相连接，所述超声波发射换能器通过脉冲功率放大器连接在微处理器的IO端口上。
4.根据权利要求3所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述声波采集装置还包括RS232通信模块，所述微处理器将数据通过RS232通信模块发送至数据服务器，完成命令或数据流通。
5.根据权利要求3所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述微处理器解析到来自服务器的控制步进电机的命令后，通过通用IO端口来控制步进电机驱动器驱动步进电机。
6.根据权利要求3所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述可编程逻辑单元获取到的超声波采样信号后通过通用IO端口将数据传输到微处理器。
7.根据权利要求3所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述微处理器在通过步进电机控制超声波接收换能器移动至所需的空间坐标点后，微处理器在通用IO端口上产生一个脉冲信号，经脉冲功率放大器放大电压和电流，再通过导线将该信号驱动超声波发射换能器。
8.根据权利要求2至7任意一项所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述步进电机设置有三个，分别来带动丝杠滑台沿X、Y、Z三个正交的轴向移动。
9.根据权利要求I所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述数据服务器还包括用于接入因特网，并向远程用户提供WEB显示、数据库和远程用户进行数据交互方法的网页服务器，所述网络服务单元用于维护网络服务器接入到因特网。
10.根据权利要求I或9所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述数据库维护单元包括声波数据库、绘图方法数据库和控制声波采集装置的采集装置控制程序，所述声波数据库、绘图方法数据库和控制声波采集装置均通过虚拟实验室守护进程提供给网页服务器显示远程用户需要的信息。
11.根据权利要求10所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述声波数据库的数据来源于本地端的声波采集装置或由授权的远程用户上传而来的声波数据。
12.根据权利要求10所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述绘图方法数据库的数据来源的来源于本地端系统管理或由授权的远程用户上传而来。
13.根据权利要求10所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述成像方法管理单元包括可根据当前用户在绘图方法数据库和声波数据库中所选择的数据进行绘制声波图像的MATLAB接口程序，所述通过虚拟实验室守护进程提供给网页服务器显示远程用户需要的声波图像信息。
14.根据权利要求13所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述MATLAB程序接口绘制完成的声波图像通过GIF的形式载入到网页中，供远程用户查看。
15.根据权利要求13所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述MATLAB程序接口绘制完成的声波图像在本地数据服务器端通过采集装置控制程序直接查看。
16.根据权利要求I所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述WEB界面上设置有成像区、运行姿态观察和调整区以及提供注册用户登录、待显示数据选择、上传数据和绘图方法、自定义查询数据的功能选择区。
17.根据权利要求16所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述成像区是由远程用户选择了数据和绘图方法后进行显示而成。
18.根据权利要求16所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述远程用户能通过运行姿态观察和调整区，观察和控制服务器端的声场采集装置。
19.根据权利要求16所述的超声波声场三维成像虚拟实验室，其特征在于，所述远程用户通过功能选择区将上传数据和绘图方法传送至服务器端的数据库。
全文摘要
本发明公开了一种超声波声场三维成像虚拟实验室，其主要包括声波采集装置和数据服务器。声波采集装置内的超声波信号处理单元配合三自由度丝杠滑台单元，能采集三维空间中超声波声场的分布情况，并保存至数据服务器中。借助数据服务器的网络服务单元，远程用户可以通过因特网访问超声波声场分布数据，自由选定绘图方法绘制超声波三维成像图，还能通过WEB界面观察并控制声波采集装置，实现在网络上虚拟出一个专用于研究超声波三维声场成像的实验室。本发明特别适用于关于超声波在流体介质中传播规则的实验室，为相关课题的研究者提供远程的实验平台和数据分享中心。
文档编号G01H17/00GK102865919SQ20121033202
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者李响, 朱昌平, 谢祖锋, 单鸣雷, 韩庆邦, 高远 申请人:河海大学常州校区