[发明专利]一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统及方法

权利要求书

1.一种基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：包括树莓派微型电脑、显示触摸屏、ARM采集控制电路、宽带开关功放、超声接收电路和电源模块，其中，

树莓派微型电脑及显示触摸屏组成上位机，实现用户人机交互、任务管理和下位机控制；

ARM采集控制电路按照设定周期产生发射信号给宽带开关功放，对超声接收电路输出信号进行正交采集；

宽带开关功放实现发射信号的功率驱动与外接的超声振子阻抗匹配；

接收电路超声探头接收信号进行放大、信号幅度调节和带外噪声滤除；

电源模块提供稳压电源。

2.根据权利要求1所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：树莓派微型电脑充当上位机，运行于Linux上的Python编程环境，使用USB接口接驳触摸屏，上位机使用以太网实现与下位机的命令和数据交互，实现上位机和下位机的电气隔离。

3.根据权利要求1所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：ARM采集控制电路采用STM的32位ARM微控制器，以定时器实现接收信号的时间增益控制，对接收信号幅度动态调节，以补偿不同深度混凝土对信号反射强度的变化；同时，以定时器中断实现超声发射和数据采集的定时快速循环，在确保接收与发射之间严格时间同步的前提下，超声探头每个测量位置上均能及时获取多批次测量数据。

4.根据权利要求3所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：通过ARM微控制器内部DMA驱动定时器PWM功能，实现频率范围达20kHz～110kHz、载波600kHz的超声PWM调制宽带线性调频信号输出；以DMA驱动定时器产生发射信号，确保在测量期间所产生的所有发射信号具有时间同步性和相关性，确保数据后处理中，脉冲压缩输出的信噪比不发生变化。

5.根据权利要求3所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：ARM微控制器以定时器触发双通道DMA，驱动片内双通道ADC，实现接收信号高速正交采样；并使用同一片微控制器完成发射和采集，使发射和采集之间时间同步性可控，确保目标聚焦处理中对回波信号时延控制的要求，同时以定时器触发DMA来驱动ADC，降低CPU资源消耗的同时确保两路采样信号的正交性，并确保多批次测量之间信号的相关系数。

6.根据权利要求1所述的基于树莓派的超声混凝土探测电子系统，其特征在于：电源模块通过DC/DC电源将蓄电池组提供的24V额定电压转换为电子系统工作所需稳压电源。

7.一种基于树莓派的超声混凝土探测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，将超声探头安装到混凝土的测试位置；

步骤2，用以太网线连接树莓派微型电脑；将ARM微控制器的定时器输出接到宽带开关功放输入端，宽带开关功放输出端使用屏蔽双绞长电缆连接超声振子；用屏蔽双绞长电缆连接超声探头和超声接收电路，将超声接收电路输出信号接入ARM微控制器双通道ADC模拟输入端，ARM微控制器上电完成自检后，发送自检成功信息通知上位机软件；

步骤3，上位机软件与下位机握手成功后，将运行参数和发射信号样本发送下位机，操作人员启动采集，采集过程中，ARM微控制器将采集数据实时发送给上位机，采集完成后，移动超声探头，启动新测量位置的数据采集；

步骤4，数据采集完成后，操作人员在上位机软件中对每个测试位置的采集数据进行平滑处理，进而完成脉冲压缩处理，并进行时间归一化，获得位置--时间二维数据序列；

步骤5，上位机软件对位置--时间二维数据序列进行回波聚焦，形成目标区域反射信号强度的二维聚焦成像，并对图像进行处理。

8.根据权利要求7所述的基于树莓派的超声混凝土探测方法，其特征在于：步骤3中，采集过程中，ARM微控制器电路以周期定时器触发信号输出和输入采集。

9.根据权利要求7所述的基于树莓派的超声混凝土探测方法，其特征在于：步骤3中，采集过程中，每个超声探头测量位置获取多批次采集数据，测量次数由操作人员从上位机软件输入。