摘  要： 為CT教學(xué)設(shè)計(jì)了一款基于STM32的反射式超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置,。該裝置由收發(fā)一體超聲模塊、單片機(jī)控制單元模塊,、串口通信模塊,、三維機(jī)械平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,、Matlab圖形重建模塊組成,，通過(guò)STM32單片機(jī)控制收發(fā)一體超聲模塊發(fā)射超聲信號(hào)，并由VB操作界面控制待測(cè)物體的升降,、旋轉(zhuǎn)以及超聲換能器的平移,。本裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、零件大眾化,、易于更換及維修，市場(chǎng)前景廣泛,。
關(guān)鍵詞： 超聲CT,；圖形重建；實(shí)驗(yàn)教學(xué),；STM32,；串口通信

    CT是計(jì)算機(jī)層析成像術(shù)（Computer Tomography）的縮寫(xiě)，自70年代問(wèn)世以來(lái)已日趨成熟,，其中超聲CT 廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué),、工業(yè)無(wú)損探測(cè),、地質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域中。實(shí)際應(yīng)用中的超聲CT裝置十分龐大復(fù)雜,，且價(jià)格昂貴,。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)反射式超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置有一定的研究,，但未見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品報(bào)道,。如果能開(kāi)發(fā)出一款用于教學(xué)的反射式超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置，則將大大有助于學(xué)生熟練操作CT及了解CT的工作原理,，對(duì)物理上反問(wèn)題的求解過(guò)程也有直接的體會(huì)[1],。
    反射式超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置是一款用于模擬反射式超聲CT裝置操作過(guò)程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀。其采用對(duì)人體無(wú)傷害的超聲波,，使用大眾化的零件，易于更換及維修,，成本低,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于高校CT教學(xué),。學(xué)生通過(guò)操作該裝置可迅速了解CT的操作過(guò)程及工作原理,，了解圖形重建，體會(huì)進(jìn)行CT模擬實(shí)驗(yàn)的意義[2],。本裝置在VB操作界面上輸入相應(yīng)指令,，經(jīng)串口通信將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，通過(guò)STM32單片機(jī)控制平臺(tái)左右移動(dòng),、上下升降以及旋轉(zhuǎn),。通過(guò)單片機(jī)處理測(cè)得待測(cè)物體到超聲模塊的距離，并通過(guò)串口通信傳給VB操作界面,。通過(guò)ActiveX控件技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab與VB的連接,，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab預(yù)處理，篩選出有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和擬合,，運(yùn)用重建算法還原被測(cè)物體輪廓的圖形,。
1 裝置設(shè)計(jì)原理
    反射式超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置由8個(gè)模塊組成：收發(fā)一體超聲模塊、單片機(jī)控制單元模塊,、串口通信模塊,、穩(wěn)壓電源模塊、三維機(jī)械平臺(tái),、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,、Matlab圖形重建模塊和計(jì)算機(jī)VB操作界面模塊。裝置原理圖如圖1所示,。三維機(jī)械平臺(tái)工作數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)VB操作界面及串口通信傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制單元,單片機(jī)控制單元對(duì)數(shù)據(jù)判斷后,，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),，從而控制三維機(jī)械平臺(tái)工作。單片機(jī)控制單元控制收發(fā)一體超聲模塊發(fā)射接收超聲波,，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理獲取收發(fā)一體超聲模塊到待測(cè)物體的距離,，將這個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸給計(jì)算機(jī)VB操作界面，VB通過(guò)連接Matlab,，重建輪廓圖形,，在VB操作界面成像窗口顯示重建輪廓圖形。

2 下位機(jī)硬件構(gòu)成
2.1 單片機(jī)控制單元模塊
    單片機(jī)是反射式CT實(shí)驗(yàn)裝置的控制中心,，負(fù)責(zé)控制收發(fā)一體超聲模塊的發(fā)射接收超聲波,，通過(guò)串口通信與計(jì)算機(jī)VB操作界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及控制三維機(jī)械平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、左右平移和上下升降,。采用STM32單片機(jī),，工作電壓為3.3~5.5 V，工作頻率范圍為0~72 MHz,，能很好地控制系統(tǒng)的各個(gè)部分,。
2.2 三維機(jī)械平臺(tái)
    單片機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，從而控制三維機(jī)械平臺(tái)的旋轉(zhuǎn),、平移,、升降。由于收發(fā)一體超聲模塊存在盲區(qū),平移平臺(tái)與升降,、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相距一定距離,，本裝置實(shí)際相距32 cm，來(lái)消除盲區(qū)對(duì)實(shí)測(cè)距離的干擾,。本裝置采用的步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為42HE1410M-24S,，驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A，步距角為1.8°,，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)細(xì)分來(lái)改變步距角從而調(diào)節(jié)掃描精度,。三維機(jī)械平臺(tái)工作流程圖如圖2所示。

2.4 收發(fā)一體超聲模塊
    收發(fā)一體超聲模塊采用單個(gè)超聲波換能器,采用脈沖驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波,當(dāng)發(fā)射停止時(shí)換能器轉(zhuǎn)為接收器, 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,，接收反射回來(lái)的超聲波,。經(jīng)過(guò)分析處理后就可以測(cè)得障礙物的距離：s=ct/2，s為超聲波傳播的距離,，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度(在空氣中超聲波速為340 m/s),，因此只要測(cè)得超聲波傳播的時(shí)間t，就可以得到收發(fā)一體超聲模塊到待測(cè)物體的距離,。其工作電壓為5 V,，超聲探頭的余震時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致超聲模塊的盲區(qū)相應(yīng)增大[3],。為了減小盲區(qū)對(duì)收發(fā)一體超聲模塊到待測(cè)物體所測(cè)距離精度的影響,，本裝置增大了收發(fā)一體超聲模塊與待測(cè)物體之間的距離,。收發(fā)一體超聲模塊原理圖如圖4所示。STM32單片機(jī)控制超聲換能器發(fā)射超聲波,超聲波遇到待測(cè)物體反射回來(lái),超聲換能器接收超聲波,信號(hào)經(jīng)過(guò)前放,、主放,、幅值甄別、電平轉(zhuǎn)換,、A/D轉(zhuǎn)換之后傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)[4],。

2.5 串口通信模塊
    串口是單片機(jī)控制單元與計(jì)算機(jī)VB操作界面的通信通道，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與VB間的數(shù)據(jù)傳輸信息交換,。采用全雙工,、異步通信方式實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與VB間的通信，配置波特率為9 600 b/s,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    本裝置通過(guò)VB 中的控件MSCOMM的屬性設(shè)置與STM32單片機(jī)串口設(shè)置相匹配,，實(shí)現(xiàn)串口連接從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的人為發(fā)射和自動(dòng)接收。初始化STM32單片機(jī),，VB與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信后,，開(kāi)啟定時(shí)器，就可以通過(guò)VB操作界面來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),。STM32單片機(jī)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析判斷，從而控制三維機(jī)械平臺(tái)的升降,、旋轉(zhuǎn),、平移。STM32單片機(jī)獲得收發(fā)一體超聲模塊到待測(cè)物體的距離,，通過(guò)串口通信傳輸?shù)絍B操作界面并保存,。下位機(jī)程序流程圖如圖5所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)程序采用VB編寫(xiě),，程序主要功能包括：
    (1)用戶(hù)登入注冊(cè),；
    (2)接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)；
    (3)向下位機(jī)傳送數(shù)據(jù),，控制步進(jìn)電機(jī)的左右,、升降、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),；
    (4)將待測(cè)物體與收發(fā)一體超聲模塊的距離,、移動(dòng)距離、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)保存在txt文檔里,；
    (5)VB與Matlab連接,，調(diào)用Matlab軟件處理源數(shù)據(jù)；
    (6)重建待測(cè)物體的輪廓圖形,。
    STM32單片機(jī)處理測(cè)得待測(cè)物體到收發(fā)一體超聲模塊的距離,，并通過(guò)串口通信傳輸給VB操作界面,，VB操作界面將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于txt文檔中。通過(guò)ActiveX控件技術(shù)實(shí)現(xiàn)Matlab與VB的連接,，控制VB操作界面,，Matlab調(diào)用存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的txt文檔，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,，篩選出有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和擬合,，根據(jù)待測(cè)物體選擇重建算法，還原待測(cè)物體輪廓圖形,，在VB操作界面成像窗口顯示重建輪廓圖形,。上位機(jī)程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
    反射式超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置操作界面分為三維機(jī)械平臺(tái)控制部分和圖形重建顯示部分,。通過(guò)控制機(jī)械平臺(tái)移動(dòng),，采集不同位置收發(fā)一體超聲模塊到待測(cè)物體的距離，以及超聲傳感器的位置,，通過(guò)圖形重建算法重建待測(cè)物體的輪廓圖形,，在VB操作界面成像窗口顯示。待測(cè)物體實(shí)物圖如圖7所示,。圓柱組合體重建輪廓圖形如圖8所示,。立方體與正三棱柱組合體重建輪廓圖形如圖9所示。

    本裝置中Matlab與VB的連接并不復(fù)雜,，而且與單片機(jī)通信的失誤率很低,，通信較為可靠。測(cè)量的盲區(qū)也可控制在20 cm以?xún)?nèi),。因?yàn)槁暡ǖ乃俣扰c溫度有關(guān),，測(cè)量值在非室溫下準(zhǔn)確度會(huì)下降，測(cè)量的結(jié)果需要校正,，經(jīng)過(guò)校正,，本裝置的測(cè)量距離精度符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，還可為其他的相關(guān)研究提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ),。
    本裝置可以針對(duì)市場(chǎng)需求,，增大其發(fā)射功率和測(cè)量距離。本裝置還可以增加收發(fā)一體超聲換能器的數(shù)量,，以縮短檢測(cè)時(shí)間,、提高圖像分辨率以及增大待測(cè)物體的種類(lèi)范圍。此外,，本裝置可以通過(guò)提高超聲換能器測(cè)距的精度來(lái)提高成像效果,。而本裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件大眾化,、易于更換及維修等優(yōu)點(diǎn),，市場(chǎng)前景廣闊。
參考文獻(xiàn)
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