[0036] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037] 本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种非接触式多焦点超声相控阵悬浮移液的方法以及系统。
[0038] 实施例一
[0039] 本实施例提供一种非接触式多焦点超声相控阵悬浮移液的系统，如图1所示，包括计算机模块1、PWM控制模块2、可调稳压电源模块4、驱动模块3、超声阵列模块5、液滴发生模块；
[0040] 计算机模块1将接收到的指令发送至PWM控制模块2，PWM控制模块2计算与指令相对应的PWM波频率和PWM波占空比；根据计算得到PWM波频率和PWM波占空比控制驱动模块3的逻辑输入通道；可调稳压电源模块4为驱动模块3提供放大电源，使驱动模块3的输出端口产生与可调稳压电源模块4电压幅值相同的PWM波，并将驱动模块3的输出端口产生的PWM波输入超声阵列模块5或液滴发生模块中；超声阵列模块5接收到PWM波后产生振动及驻波声场，实现液滴悬浮；液滴发生模块接收到PWM波后，实现液滴的捕获和转移。
[0041] 在本实施例中，超声阵列模块5为16*16超声阵列模块，其包括超声阵列发射器5‑1、超声阵列反射器5‑2；其中，超声阵列发射器5‑1由振动模块5‑1‑2、固定模块5‑1‑1组成；
超声阵列反射器5‑2由反射板组成。
[0042] 在本实施例中，液滴发生模块包括液滴发生器6‑1、液滴喷射口6‑2、液滴转移出口6‑4；其中，液滴发生器6‑1包括液体储存器6‑1‑2、带有压电陶瓷结构的流体室6‑1‑3、导管
6‑1‑4、喷嘴6‑1‑1。
[0043] 本实施例的一种非接触式多焦点超声相控阵悬浮移液的系统具体为：
[0044] 计算机模块1采取双向通讯的方式，经USB串口与PWM控制模块2里Arduino MEGA2560单片机进行连接；驱动模块3经杜邦线与PWM控制模块2连接；驱动模块3通过AXI互连IP硬件组件以主从方式与超声阵列模块5中的驱动单元通信。
[0045] 计算机模块1用来发送指令并监控PWM控制模块2的执行情况，USB串口将计算机模块1与PWM控制模块2进行数据输送，PWM控制模块2用于实现频率和占空比的计算和发送，来控制驱动模块3的逻辑输入通道，在使用过程中必须保持驱动模块3的使能端为高电平。可调稳压电源模块4为驱动模块3提供放大电源，使输出端口产生与可调稳压电源模块4电压幅值相同的PWM波，输入超声阵列模块5，从而使超声阵列模块5产生振动，产生驻波声场，实现液滴悬浮。进一步计算机模块1根据指令来增加或者减少PWM波占空比，从而使波形发生移动，进而实现超声相控阵悬浮移动液体。
[0046] 如附图2所示。当将PWM波的脉冲施加到液滴发生器6‑1的压电元件上时，液滴发生模块的液滴喷射口6‑2喷射液滴6‑3，通过导管6‑1‑4将液滴6‑3送到喷嘴6‑1‑1，将液滴6‑3在驻波的底部压力节点处注入，并使超声阵列模块波场捕获液滴。当液滴6‑3到达液滴转移出口6‑4的位置，此时关闭超声相控阵悬浮器声场。当超声阵列模块驻波声场没有捕获液滴时，其由于重力而下落通过孔口，进而实现液滴的捕获和转移。
[0047] 本实施例为了克服传统一维单轴声悬浮装置的悬浮能力较弱的问题，设计了一种由16*16个超声换能器5‑4组成的方形阵列，为了独立地控制两个液滴6‑3的悬浮位置，将传感器被均分成了两组，分别为阵列1和阵列2，形成类似象棋图案。每组换能器产生不同的焦点，如附图3所示。利用声辐射力可以实现液滴在空间任一点的悬浮和转移，声辐射力产生是入射波和反射波共同作用的结果。所述16*16超声阵列模块5包括上下组成的超声阵列发射器5‑1和反射器5‑2。超声阵列发射器5‑1结构主要包括振动模块5‑1‑2、固定模块5‑1‑1，如图4所示。振动模块5‑1‑2是超声换能器5‑4组成的方形阵列，超声换能器5‑4在激励信号作用下产生振动，将机械能转化为声能，发出超声波；固定模块5‑1‑1由平面壳体组成，将超声换能器5‑4振子按照方形固定排列在超声阵列发射器表面；反射器5‑2由反射板组成，将反射板固定在与阵列适宜的距离，用以产生所需的驻波；在超声阵列的反射器5‑2上设有液滴喷射口6‑2、液滴转移出口6‑4相适配的开口，反射器5‑2的右端孔通过管道与液滴发生器6‑1相连接，如附图5所示。
[0048] 液滴发生模块由液滴发生器6‑1、液滴喷射口6‑2、液滴转移出口6‑4组成。液滴发生器6‑1由液体储存器6‑1‑2、带有压电陶瓷结构的流体室6‑1‑3、导管6‑1‑4和喷嘴6‑1‑1组成。喷嘴尖在反射器中的一个小孔中向上插入。
[0049] 超声阵列模块5还包括支撑模块5‑5，其中支撑模块5‑5由支撑架5‑5‑1组成，支撑上下组成的超声阵列发射器5‑1和超声阵列反射器5‑2，如附图6所示。经实验证明，采用16*16超声阵列模块5结构能够有效提高驻波声场的悬浮能力。超声阵列模块5内设置256个超声发射换能器，为了独立地控制两个液滴的悬浮位置，传感器被均分成两组，形成类似象棋图案。每组换能器产生不同的焦点。附图7所示的为相控阵的坐标图，其中原点位于左上角。
传感器编号从0到255，从左上角开始，向下计数。具有较大数组超声换能器阵列的好处是它增加了聚焦和操纵光束的能力，并且可以增加区域覆盖面。超声发射换能器并联组成，换能器的正极均向反射端。即能够使超声阵列壳体上每一个振子产生的超声波主瓣相互重叠且聚集形成一个区域，产生驻波声场。
[0050] 当超声波进入媒介后，会使不规则运动的微粒约束为规则运动，使得媒介变得稠密或稀疏，所以声波的扩散及传播主要是媒介内部的变化的过程，而体积元在受到声波扰动后其压强会发生变化，这种由于声扰动引起压强变化的现象叫做声压。如果一个声学换能器发出恒定频率和振幅的超声波，则第n个换能器在第r点产生的复杂声压，根据声学物理公式，可记为：
[0051]
[0052] 式中：P0表示换能器输出功率的振幅常数；A表示激励信号振幅；k表示波数；k＝2π/λ，λ表示波长；dn表示换能器到r点的距离； 表示发射源相位；Df表示关于角度θ的远场指向性函数。
[0053] Df＝2J1(kasinθ)/kasinθ
[0054] 其中，J1表示一阶贝塞尔函数，a表示超声换能器振子半径。该指向性函数可以简化为：
[0055] Df＝sinc(kasinθ)
[0056] 则通过N个超声换能器阵元生成的生压相互叠加生成的复合声场声压为：
[0057]
[0058] 对超声阵列悬浮器悬浮的液滴进行受力分析，如图8所示，方位转向角度为仰角转向角度为“θj”。假设换能器T(xi，yi，0)到焦点F(xj，yj，zj)的距离为L，使用勾股定理，从换能器元件T到焦点F的距离L被定义为：
[0059]
[0060] 本实施例考虑到声波传播速度c，可以计算从换能器元件T到焦F的传播时间tij，如下：
[0061]
[0062] 为了实现悬浮，处理器需要以毫米(X、Y、Z)为单位的三维坐标，其中这些坐标为液滴悬浮所需的焦点。这些坐标用于计算从阵列的每个元素到焦点的距离，计算机模块会自动算出对应的相移值以及占空比。每个传感器的发射相位由计算机模块控制，计算机模块通过串行通信和PWM控制模块中的MEGA2560单片机系统进行通信，MEGA2560单片机产生控制信号，用来生成256个由计算机模块定义的相位和振幅的数字周期信号。为了解决MEGA256单片机IO口较少的难题，可以将几个驱动板可以连接在一起，以增加通道的数量。用arduino IDE编译环境可以便捷地实现了计算机与单片机之间的串口通信这个功能，单片机的程序用C设计。通过USB串口通信模块实现计算机模块和单片机的串口通信，进而实现了PWM控制模块对超声阵列模块的控制。计算机模块监控整个系统，它根据提出的技术要求负责发出相应的命令，PWM控制模块进行相应的操作，进而控制超声阵列的工作。单片机的主要任务是接收计算机模块发来的数据并作相应的回应。当单片机一旦接收到一个数据，立刻根据所得数据进行判断，以决定需要进行什么操作。当操作完成之后，向计算机返回一些数据，以报告所操作器件当前的运作状态，然后再回到数据的检测循环中去。
[0063] 驱动模块有一个8位计数器模块，它使用10.24MHz时钟，每97.65ns增加一次。在计算完0到255之后，一个25us的时间就已经过去了。这个周期相当于40千赫的频率。一个256位的逻辑向量已经被定义并硬编码，0到127位填充‘1’，128到255位填充‘0’s。8位计数器被用来迭代这个逻辑向量，创建一个零相移方波信号的一个周期。驱动模块还包括总共256个子模块，它们产生所需的40khz相移信号来驱动换能器元件。每个子模块使用零相移信号作为输入、8位计数器和先前由处理系统计算的相应相移值。
[0064] 可调稳压电源模块接通驱动模块中驱动器放大高达20V半方波的信号，被馈送到超声换能器中。由于传感器的窄带特性，输出压力为正弦。该超声阵列模块提供了π/16rad的相位发射分辨率。为了独立地控制两个液滴的悬浮位置，传感器被均分成两组，形成类似象棋图案。每组超声换能器产生不同的焦点。入射波和反射波的叠加形成驻波。驻波具有一系列压力节点，其中如果驻波被平移，液滴可以被截留并在表面上方的两个维度上移动。液滴发生器用来发生液滴，当将方向PWM波脉冲施加到液滴发生器的压电元件上时，在驻波的底部压力节点处注入并捕获液滴。液滴出口由反射板中的圆形孔组成。发生悬浮液滴的过程包括在出口孔上方移动液滴，当液滴到达出口位置，此时关闭声场。当没有驻波捕捉液滴时，其由于重力而下落通过孔口，进而实现液滴的捕获和转移。根据实际需要可以选择出入口的直径大小以及液滴转移出口的位置。
[0065] 计算机上运行的软件定义需要由驱动板生成的信号。Arduino Mega2560使用集成的USB to UART芯片接收来自计算机的命令。具体来说，Arduino Mega2560通过USB连接计算机，以250Kbaud的速度接收数据，当几个将板子连接在一起，将一块板子的UART输出连接到下一块板子的输入，第一个板输入连接到计算机，并且最后的板输出保持未连接。电路板不向计算机返回信息。计算机发送的每个字节都是来自一个简单协议的命令。该协议允许将一个发射模式添加到模式缓冲区、持续时间添加到持续时间缓冲区或切换缓冲区。该协议支持多达15个板连接在一起。由于ArduinoMEGA2560产生的逻辑信号只有5V，但超声换能传感器的工作频率高达20V以上。因此，要使换能器具有足够的电压(和功率)，就必须将逻辑信号放大，从而保证其有足够的功率操纵液体。可调稳压电源模块可以为驱动模块中的驱动板提供稳定电源，进而将输出的256个方波信号进行驱动和放大，从而实现多焦点声悬浮系统装在半空中进行液滴自动非接触式发生、输送、合并目的。
[0066] 利用单片机的定时器中断实现PWM。向超声阵列施加频率(通常为40kHz)，在空气中超声波的衰减对频率特别敏感，频率越高，衰减的越快。所以要合理选择超声波频率，最终选择40kHz。计算机会根据指令操纵来增加或者减少PWM波的频率以及占空比，从而使波形发生移动，进而实现多焦点声悬浮系统装在半空中进行液滴自动非接触式发生、输送、合并目的。
[0067] 具体的使用MEGA2560单片机定时器产生频率可调的PWM波，利用定时器的输出比较翻转模式TIM_OCMode_Toggle。在每个ARR周期内，CNT计数到CCR对应的值即触发对应通道的电平翻转。根据CCR的值不同，电平翻转的时间不同，产生移相的效果。设置移相的度数TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse＝1；//移相度数＝CCR/(ARR+1)。当CCR＝ARR时获得最大移相角度，角度＝ARR/ARR+1。程序运行的过程中，会一直拿计数器的当前计数值和比较寄存器中的值进行比较，如果当前计数值和比较寄存器中的值相等了，那么就会产生输入/捕获中断，然后定时器会自动地翻转当前的电平输出状态，然后再往比较寄存器中加上当前计数器中的值，以使得定时器还是相隔相同的时间去产生下一次输入捕获中断，这样就产生了多路频率可调的PWM波。先编写配置程序，完成的工作就是配置定时器得到基本参数，包括计数周期、计数频率以及PWM工作的模式等等。在编写中断服务函数，用来产生多路频率可调的PWM波。若实现波形的移动，PWM波的占空比也要可调，CCR1_Val和CCR2_Val指的都是PWM波的一个周期内的总的计数值，高电平和低电平的时间分配(也就是占空比的分配就是通过Duty1和Duty2来控制的)。为了使得调节占空比可调，在中断服务函数里面加上了一个Duty1、Duty2函数，Duty1把CCR1_Val在一个PWM周期内分成了两部分，两部分分别控制的就是高低电平的持续时间。同理，Duty2把CCR1_Val2在一个PWM周期内分成了两部分，两部分分别控制的就是高低电平的持续时间。这样就产生多路频率可调、占空比可调的方波。然后计算机通过指令去改变CCR1_Val、CCR2_Val、Duty1、Duty2的数值，就可以改变PWM波的频率以及占空比，这样就可以实现波形的移动。当将方形脉冲施加到液滴发生器的压电元件上时，液滴发生器用会喷射液滴，在驻波的底部压力节点处注入并使超声相控阵驻波场捕获液滴。当液滴到达出口位置，此时关闭声场。当没有驻波捕捉液滴时,其由于重力而下落通过孔口，进而实现液滴的捕获和转移。
[0068] 由PWM控制模块产生和输出频率为40kHz的PWM波，来控制驱动模块的逻辑输入通道，在实验过程中必须保持驱动电机模块的使能端为高电平。可调稳压电源模块为驱动模块提供放大电源，使输出端口产生与可调稳压电源电压幅值相同的PWM波，输人上面的超声阵列，从而使超声阵列振动，产生驻波声场，实现液滴的转移和合并。
[0069] 改变PWM控制模块的控制信号的周期和占空比可以实现波形在时间轴上的移动。在软件设计中，周期和占空比在溢出中断里设置，保证悬浮液滴能够稳定地进行移动。
[0070] PWM控制模块可以实现频率和占空比的独立调制，即可在改变频率的同时不改变占空比，再改变占空比的同时不改变频率；当计算机发出指令，溢出中断根据标志位改变周期和占空比，将移动方向标志位置位。
[0071] 计算机通过arduino IDE编译环境可以与PWM控制模块里面的单片机系统进行通信，PWM控制模块包括MEGA2560单片机，单片机的程序用C设计，C语言具有各种各样的数据类型和强大的操作符，用C语言编写程序是高效，快速和易于理解。通过USB串口通信模块实现PC机和单片机的串口通信，进而实现了控制器对多焦点超声相控阵悬浮移液系统装置控制。计算机监控整个系统，它根据我们提出的技术要求来负责发出相应的命令，控制PWM控制模块进行相应的操作，进而控制超声阵列的工作。单片机的主要任务是接收PC机发来的数据并作相应的回应。当单片机一旦接收到一个数据，立刻根据所得数据进行判断，以决定需要进行什么操作。当操作完成之后，向PC机返回一些数据,以报告所操作器件当前的运作状态,然后再回到数据的检测循环中去。
[0072] 编辑配置程序完成的工作就是配置定时器得到基本参数，包括计数周期、计数频率以及PWM工作的模式等等。设置自动重装载寄存器周期的值，作用是累计预定个频率后产生个更新或者中断。设置通道1的比较值(跳变值)，也就是比较寄存器的初始值，同理设置通道2的比较值(跳变值)。
[0073] 中断服务函数里程序if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_CC1)！＝RESET)代表的就是捕获/比较中断，也就是意味着计数器中的值和当前比较寄存器中的值相等的时候，就会产生这样一个捕获/比较中断。产生中断之后，要清零中断标志位TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_CC1)。
[0074] 利用定时器的输出比较翻转模式TIM_OCMode_Toggle。在每个ARR周期内，CNT计数到CCR对应的值即触发对应通道的电平翻转。根据CCR的值不同，电平翻转的时间不同，产生移相的效果。设置移相的度数TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse＝1；//移相度数＝CCR/(ARR+1)。当CCR＝ARR时获得最大移相角度，角度＝ARR/ARR+1。程序运行的过程中，会一直拿计数器的当前计数值和比较寄存器中的值进行比较，如果当前计数值和比较寄存器中的值相等了，那么就会产生输入/捕获中断，然后定时器会自动地翻转当前的电平输出状态，然后再往比较寄存器中加上当前计数器中的值，以使得定时器还是相隔相同的时间去产生下一次输入捕获中断，这样就产生了多路频率可调的PWM波。先编写配置程序，完成的工作就是配置定时器得到基本参数，包括计数周期、计数频率以及PWM工作的模式等等。在编写中断服务函数，用来产生多路频率可调的PWM波。若实现波形的移动，PWM波的占空比也要可调，CCR1_Val和CCR2_Val指的都是PWM波的一个周期内的总的计数值，高电平和低电平的时间分配(也就是占空比的分配就是通过Duty1和Duty2来控制的)。为了使得调节占空比可调，在中断服务函数里面加上了一个Duty1、Duty2函数，Duty1把CCR1_Val在一个PWM周期内分成了两部分，两部分分别控制的就是高低电平的持续时间。同理，Duty2把CCR1_Val2在一个PWM周期内分成了两部分，两部分分别控制的就是高低电平的持续时间。这样就产生多路频率可调、占空比可调的方波。然后计算机通过指令去改变CCR1_Val、CCR2_Val、Duty1、Duty2的数值，就可以改变PWM波的频率以及占空比，这样就可以实现波形的移动。
[0075] 产生的方波来控制驱动模块的逻辑输入通道，在实验过程中必须保持驱动模块的使能端为高电平。超声发射阵列需要较大的电流，可调稳压电源为驱动模块提供放大电源，使输出端口产生与可调稳压电源电压幅值相同的PWM波，输人多焦点超声相控阵发射端，从而使超声阵列振动，产生驻波声场，实现液滴悬浮。计算机根据指令改变PWM波的频率以及占空比，进而实现多焦点声悬浮系统装在半空中进行液滴自动非接触式发生、输送、合并目的。
[0076] 本实施例的一种用周期逻辑数字信号控制半方波的振幅和相位，以外部中断计数为基础的PWM波形实现方法。该方法具有简单方便，成本低，可实现多路独立PWM输出的优点。从上述超声驻波轴向悬浮移动控制方法可看出，超声驻波的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号(PWM)。该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。本实施例采用单片机作超声驻波轴向悬浮移动装置的控制器。MEGA2560产生256个数字信号，每个信号由通过数字输出发出的0和1表示。一组信号被分成若干个离散的步骤，这些步骤以循环方式发出，通过改变这些步骤得到不同的相位，如附图9所示。此外，占空比可用于控制输出波的振幅。使用方波简化了电子电路的设计，减少了每个通道所需的数字线，同时仍然允许产生激励信号，产生振幅和相位可控的声波正弦波。
[0077] 实施例二
[0078] 本实施例提供一种非接触式多焦点超声相控阵悬浮移液的方法，包括步骤：
[0079] S1.计算机模块将接收到的指令发送至PWM控制模块；
[0080] S2.所述PWM控制模块计算与指令相对应的PWM波频率和PWM波占空比；
[0081] S3.根据计算得到PWM波频率和PWM波占空比控制驱动模块的逻辑输入通道；
[0082] S4.可调稳压电源模块为所述驱动模块提供放大电源，使驱动模块的输出端口产生与所述可调稳压电源模块电压幅值相同的PWM波，并将所述驱动模块的输出端口产生的PWM波输入超声阵列模块或液滴发生模块中；
[0083] S5.超声阵列模块接收到PWM波后产生振动及驻波声场，实现液滴悬浮；液滴发生模块接收到PWM波后，实现液滴的捕获和转移。
[0084] 需要说明的是，本实施例的一种非接触式多焦点超声相控阵悬浮移液的方法与实施例一类似，在此不多做赘述。
[0085] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
