反射式超声CT实验装置的研究*

冯利军，严杨飞，何俊梅，裔士源，周梦迪，曾碧新

（温州医科大学 信息与工程学院，浙江 温州325000）

CT是计算机层析成像术（Computer Tomography）的缩写，自70年代问世以来已日趋成熟，其中超声CT广泛应用于医学、工业无损探测、地质探测等领域中。实际应用中的超声CT装置十分庞大复杂，且价格昂贵。目前，国内对反射式超声CT实验装置有一定的研究，但未见相关产品报道。如果能开发出一款用于教学的反射式超声CT实验装置，则将大大有助于学生熟练操作CT及了解CT的工作原理，对物理上反问题的求解过程也有直接的体会[1]。

反射式超声CT实验装置是一款用于模拟反射式超声CT装置操作过程的教学实验仪。其采用对人体无伤害的超声波，使用大众化的零件，易于更换及维修，成本低，结构简单，可用于高校CT教学。学生通过操作该装置可迅速了解CT的操作过程及工作原理，了解图形重建，体会进行CT模拟实验的意义[2]。本装置在VB操作界面上输入相应指令，经串口通信将数据传给单片机，通过STM32单片机控制平台左右移动、上下升降以及旋转。通过单片机处理测得待测物体到超声模块的距离，并通过串口通信传给VB操作界面。通过ActiveX控件技术实现Matlab与VB的连接，系统采集的数据经Matlab预处理，筛选出有用的数据进行插值和拟合，运用重建算法还原被测物体轮廓的图形。

1 装置设计原理

反射式超声CT实验装置由8个模块组成：收发一体超声模块、单片机控制单元模块、串口通信模块、稳压电源模块、三维机械平台、步进电机驱动模块、Matlab图形重建模块和计算机VB操作界面模块。装置原理图如图1所示。三维机械平台工作数据通过计算机VB操作界面及串口通信传输到单片机控制单元,单片机控制单元对数据判断后，通过步进电机驱动模块驱动步进电机，从而控制三维机械平台工作。单片机控制单元控制收发一体超声模块发射接收超声波，经过单片机处理获取收发一体超声模块到待测物体的距离，将这个数据通过串口通信传输给计算机VB操作界面，VB通过连接Matlab，重建轮廓图形，在VB操作界面成像窗口显示重建轮廓图形。

图1 装置原理图

2 下位机硬件构成

2.1 单片机控制单元模块

单片机是反射式CT实验装置的控制中心，负责控制收发一体超声模块的发射接收超声波，通过串口通信与计算机VB操作界面进行数据传输以及控制三维机械平台的旋转、左右平移和上下升降。采用STM32单片机，工作电压为 3.3～5.5 V，工作频率范围为 0～72 MHz，能很好地控制系统的各个部分。

2.2 三维机械平台

单片机通过控制步进电机驱动器驱动步进电机工作，从而控制三维机械平台的旋转、平移、升降。由于收发一体超声模块存在盲区,平移平台与升降、旋转平台相距一定距离，本装置实际相距32 cm，来消除盲区对实测距离的干扰。本装置采用的步进电机的型号为42HE1410M-24S，驱动电流为 1.5 A，步距角为 1.8°，通过步进电机驱动器调节细分来改变步距角从而调节扫描精度。三维机械平台工作流程图如图2所示。

图2 三维机械平台工作流程图

2.3 稳压电源模块

稳压电源模块给STM32单片机、收发一体超声模块、步进电机驱动器、三维机械平台供电。开关电源提供24 V电压，经过7805稳压后转为5 V电压。稳压电源模块电路图如图3所示。C1、C2、C3、C4分别是电源模块输入输出的滤波电容,获得波纹较小的电压。R2为发光二极管的限流电阻，发光二极管作为电源指示灯，如果电源模块工作正常，二极管被点亮。

图3 稳压电源模块电路图

2.4 收发一体超声模块

收发一体超声模块采用单个超声波换能器,采用脉冲驱动换能器发射超声波,当发射停止时换能器转为接收器,经过一段时间后，接收反射回来的超声波。经过分析处理后就可以测得障碍物的距离：s＝ct/2，s为超声波传播的距离，c为超声波在介质中的传播速度(在空气中超声波速为340m/s)，因此只要测得超声波传播的时间t，就可以得到收发一体超声模块到待测物体的距离。其工作电压为5 V，超声探头的余震时间太长，会导致超声模块的盲区相应增大[3]。为了减小盲区对收发一体超声模块到待测物体所测距离精度的影响，本装置增大了收发一体超声模块与待测物体之间的距离。收发一体超声模块原理图如图4所示。STM32单片机控制超声换能器发射超声波,超声波遇到待测物体反射回来,超声换能器接收超声波,信号经过前放、主放、幅值甄别、电平转换、A/D转换之后传输到STM32单片机[4]。

图4 收发一体超声模块原理图

2.5 串口通信模块

串口是单片机控制单元与计算机VB操作界面的通信通道，实现单片机与VB间的数据传输信息交换。采用全双工、异步通信方式实现STM32单片机与VB间的通信，配置波特率为9 600 b/s。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

本装置通过VB中的控件MSCOMM的属性设置与STM32单片机串口设置相匹配，实现串口连接从而实现数据的人为发射和自动接收。初始化STM32单片机，VB与STM32单片机进行通信后，开启定时器，就可以通过VB操作界面来发送和接收数据。STM32单片机根据接收的数据进行了分析判断，从而控制三维机械平台的升降、旋转、平移。STM32单片机获得收发一体超声模块到待测物体的距离，通过串口通信传输到VB操作界面并保存。下位机程序流程图如图5所示。

3.2 上位机软件设计

上位机程序采用VB编写，程序主要功能包括：

(1)用户登入注册；

(2)接收下位机上传的数据；

(3)向下位机传送数据，控制步进电机的左右、升降、旋转运动；

(4)将待测物体与收发一体超声模块的距离、移动距离、旋转角度等数据保存在txt文档里；

(5)VB与Matlab连接，调用Matlab软件处理源数据；

(6)重建待测物体的轮廓图形。

STM32单片机处理测得待测物体到收发一体超声模块的距离，并通过串口通信传输给VB操作界面，VB操作界面将采集的数据存储于txt文档中。通过ActiveX控件技术实现Matlab与VB的连接，控制VB操作界面，Matlab调用存储采集数据的txt文档，对其进行预处理，筛选出有用的数据进行插值和拟合，根据待测物体选择重建算法，还原待测物体轮廓图形，在VB操作界面成像窗口显示重建轮廓图形。上位机程序流程图如图6所示。

图5 下位机程序流程图

图6 上位机程序流程图

4 系统运行结果

反射式超声CT实验装置操作界面分为三维机械平台控制部分和图形重建显示部分。通过控制机械平台移动，采集不同位置收发一体超声模块到待测物体的距离，以及超声传感器的位置，通过图形重建算法重建待测物体的轮廓图形，在VB操作界面成像窗口显示。待测物体实物图如图7所示。圆柱组合体重建轮廓图形如图8所示。立方体与正三棱柱组合体重建轮廓图形如图9所示。

图7 待测物体实物图

图8 圆柱组合体重建轮廓图形

图9 立方体与正三棱柱组合体重建轮廓图形

收发一体超声模块测量距离表如表1所示。在一定测量范围内，收发一体超声模块的测量距离越大则测量精度越高，利于待测物体的图形重建，重建轮廓图形更接近实际轮廓。

表1 收发一体超声模块测量距离

本装置中Matlab与VB的连接并不复杂，而且与单片机通信的失误率很低，通信较为可靠。测量的盲区也可控制在20 cm以内。因为声波的速度与温度有关，测量值在非室温下准确度会下降，测量的结果需要校正，经过校正，本装置的测量距离精度符合实验教学要求，还可为其他的相关研究提供理论和应用基础。

本装置可以针对市场需求，增大其发射功率和测量距离。本装置还可以增加收发一体超声换能器的数量，以缩短检测时间、提高图像分辨率以及增大待测物体的种类范围。此外，本装置可以通过提高超声换能器测距的精度来提高成像效果。而本装置具有体积小、结构简单、零件大众化、易于更换及维修等优点，市场前景广阔。

[1]马文君，梁家惠.反射式超声CT用于物理实验教学的开发[J].物理实验，2004，24(4)：6-8.

[2]舒文锋，程建政，蓝从庆.模拟生物样品的反射式超声 CT成像[J].声学技术，2000，19(1)：19-22.

[3]华亮，堵俊，吴晓.新型高精度一体反射型超声波传感器测距系统研制[J].仪表技术与传感器，2008(4)：80-83，96.

[4]兰羽，周茜.超声波测距系统接收电路研究[J].电子设计工程，2012，20(14)：81-83.