CN115549518B - 一种超声换能器悬浮控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声换能器悬浮控制装置,属于超声阵列悬浮技术领域,装置主要包括PC上位机、主控模块、交互模块、驱动模块和超声换能器阵列,本发明通过主控模块、从控模块和H桥驱动模块控制超声换能器阵列实现多种频率下对每个超声换能器相位和振幅的独立控制,从而实现超声悬浮和运动控制等功能,适用于科学研究场所和实验平台的搭建,采用模块化设计,成本低且易于实现,具有较广泛的应用前景,弥补了多频率下能同时实现振幅控制和相位控制方面应用研究的空白。
Description
技术领域
本发明属于超声阵列悬浮技术领域,具体涉及一种超声换能器悬浮控制装置。
背景技术
超声悬浮的基本原理是通过超声波产生的声辐射力使微粒在空气中悬浮,1962年Gor’kov提出声辐射力的时间平均势,为计算声辐射力提供了一种简便的方法。随后的几十年间,声悬浮技术逐渐发展,并在工业,农业,医学,军事等领域得到了广泛的应用。但目前常见的超声悬浮装置以静态悬浮为主,动态的运动控制的并不多见,并且目前能够进行运动控制的多为单一的相位控制,较为昂贵且技术门槛较高。
发明内容
针对以上问题,本发明的目的是提供了一种超声换能器悬浮控制装置,其通过控制驱动模块的输出实现在多种频率下的振幅和相位相结合的超声悬浮控制装置,可以通过控制声场使微粒悬浮在目标聚焦点,并通过改变目标聚焦点控制微粒的运动,还可以通过直接改变超声换能器的振幅和相位状态探究该变化对微粒的影响。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种超声换能器悬浮控制装置,包括电源模块,其特征在于,还包括:PC上位机、主控模块、交互模块、驱动模块和超声换能器阵列,所述驱动模块包括从控模块和H桥驱动模块,所述从控模块由一个从控制器组成或者多个从控制器串联组成,当从控制器为一个时,主控模块通过SPI接口与该从控制器通信,同时主控模块通过时钟信号线与该从控制器连接;当从控制器为多个时,主控模块通过SPI接口与从控模块中的首个从控制器通信,同时主控模块与从控模块中所有从控制器通过时钟信号线和同步信号线连接,多个从控制器之间通过SPI接口串接;所述从控模块通过控制信号线连接H桥驱动模块;所述H桥驱动模块通过线缆连接所述超声换能器阵列;所述PC上位机用于下载程序到所述主控模块和从控模块,同时用于计算目标聚焦点的控制信息,并配置为通过SD卡存储所述目标聚焦点的控制信息以供所述主控模块读取;所述主控模块用于从SD卡读取目标聚焦点的控制信息和发送所述目标聚焦点的控制信息、时钟信号、同步信号给所述从控模块;所述从控模块根据所述目标聚焦点的控制信息控制所述H桥驱动模块,H桥驱动模块用于驱动超声换能器阵列产生聚焦在目标聚焦点的声场,使微粒悬浮在目标点;所述H桥驱动模块由至少两个H桥逆变器组成,每个所述H桥逆变器的输出接口连接一个超声换能器;所述交互模块与主控模块通信连接。
进一步,所述电源模块包括供给主控模块和驱动模块的供电电源和经H桥逆变器逆变后驱动超声换能器工作的功率电源。
进一步,所述PC上位机在SD卡中存储的目标聚焦点的控制信息包括悬浮空间中每一个点对应的所有超声换能器的振幅和相位信息。
进一步,所述交互模块用于显示当前的目标聚焦点和输入改变目标聚焦点指令,用于显示超声换能器的振幅、相位状态和输入改变某一个超声换能器的振幅、相位状态的指令。
进一步,所述主控模块和所述从控模块均使用单片机控制器,所述从控模块由一个单片机控制器组成或多个单片机控制器串联组成;主控模块的第一接口连接STLINK接口,主控模块的第二接口连接SD卡,当从控模块中的从控制器为一个时,主控模块的第三接口与该从控制器通过SPI通信连接,当从控模块中的从控制器为多个时,主控模块的第三接口通过SPI通信连接从控模块中的首个从控制器,主控模块的第四接口通过时钟信号线和同步信号线连接从控模块中的所有从控制器,主控模块的第五接口连接交互模块;从控模块的每个从控制器的第一接口连接STLINK接口,第二接口连接接收SPI接口,用于接收主控模块或上一个从控制器的发送SPI接口发送的目标聚焦点的控制信息,第三接口连接发送SPI接口,用于连接下一个从控制器从而传递目标聚焦点的控制信息,第四接口接收时钟信号和同步信号,第五接口通过牛角座引出控制H桥驱动模块的控制信号端口。
所述时钟信号的频率由超声波的频率和相位分辨率决定,时钟信号的频率等于超声波的频率和相位分辨率的乘积,超声波的周期为超声波频率的倒数,同步信号的周期为超声波周期的整数倍。设相位分辨率为n,将一个超声波的周期分为等时长的n份单位时间,从控制器的输出口在每个单位时间对应一个状态,即在一个超声波的周期中有n个状态。当时钟信号到来后,所有从控制器以此作为相位相对延时的基准点,基准点后的第一个时钟信号到来后作为所述n个状态中的第一个状态,由于单片机控制器IO口的输出由寄存器控制,因此从控制器将第一个状态对应的控制信号写入到相应的IO口控制寄存器中,第2、3、4、……、n个时钟信号分别对应第2、3、4、……、n种状态,以此作为一个循环周期,第n+1个时钟信号又重新对应第1种状态。
所述H桥驱动模块由至少两个H桥逆变器组成,该H桥逆变器可由带有集成的H桥逆变器的模块如L298N模块提供,也可由电桥驱动芯片和MOS管组成。无论哪一种,单个H桥逆变器都有两根输入控制线和两个输出端,两根输入控制线有四种电平组合,即低电平和低电平、低电平和高电平、高电平和低电平、高电平和高电平,对应三种输出状态,即正功率电源电压、负功率电源电压和无电压,每个H桥逆变器的输出口连接一个超声换能器,由此可以通过控制一个周期下不同状态的输出状态实现相位延时和振幅的控制。
所述超声换能器阵列由至少两个超声换能器组成,超声换能器的数量决定了H桥逆变器的数量和所需的从控制器的数量,为实现对每个超声换能器的独立控制,H桥逆变器数量等于超声换能器数量,每个从控制器可以驱动不超过32个超声换能器。
进一步,所述主控模块以目标聚焦点为索引,从SD卡中读取出该目标聚焦点对应的所有从控制器n种状态下对应的IO口控制寄存器的信息,该信息即为各从控制器的目标聚焦点的控制信息,并通过SPI通信传输给首个从控制器,首个从控制器通过接收SPI接口接收该控制信息,保留自身的目标聚焦点的控制信息,并将剩下从控制器的控制信息通过发送SPI接口传输给下一个从控制器,剩下的从控制器也如此操作直到最后一个从控制器,从而实现将SD卡中存储的目标聚焦点的控制信息传给所有的从控制器,并在时钟信号和同步信号的激励下控制H桥驱动模块。
进一步,微移目标聚焦点,使微粒落入新的目标聚焦点,连续地微移目标聚焦点实现微粒运动控制。
同时,还可以通过交互模块改变超声换能器的振幅和相位状态,所述主控模块将变化状态解算成目标聚焦点的控制信息控制相应的超声换能器。
通过上述设计方案,本发明可以带来如下有益效果:
1、本发明提出的超声换能器悬浮控制装置,可以实现无接触悬浮和控制,可以应用在精度要求高的场合中,如在半导体器件、微纳机电***的制造及传输过程中能避免由于机械接触、夹持和吸附可能造成的破坏,又如在生物、化学领域中对微量的细胞或试剂样品进行分析、操作时,避免容器器壁对分析物吸附造成的药品浪费,节约造价昂贵的药品消耗;
2、本发明提出的超声换能器悬浮控制装置,由从控模块和H桥驱动模块组合的驱动模块,相较于使用FPGA驱动更为廉价且技术门槛更低,更易于普及;
3、本发明提出的超声换能器悬浮控制装置,驱动模块可以独立地控制每个超声换能器的振幅和相位,并且可以通过改变时钟信号的频率改变超声换能器的振动频率,能实现在多种频率下的振幅和相位相结合的控制,具有更广泛的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明,并不构成本发明的不当限定,在附图中:
图1为本发明一种优选实施例的总体结构方框示意图;
图2为本发明一种优选实施例的超声换能器阵列的结构图;
图3为本发明一种优选实施例超声换能器的接线示意图;
图4为本发明一种优选实施例H桥驱动模块的结构图;
图5为本发明一种优选实施例主控模块和从控模块的结构方框示意图;
图6为本发明一种优选实施例主控模块和从控模块的连接示意图。
图中各标记如下:1-电源模块、2-主控模块、3-交互模块、4-PC上位机、5-驱动模块、6-从控模块、7-H桥驱动模块、8-超声换能器阵列、9-上结构板、10-下结构板、11-支撑铜柱、12-超声换能器、13-5p公壳SM2.54接插件、14-牛角座、15-L298N模块、16-电路板、17-单头六角尼龙柱、18-M3尼龙螺母、19-SD卡、20-第一从控制器、21-第二从控制器、22-第三从控制器、23-第四从控制器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
为了避免混淆本发明的实质,公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
参阅图1至图6所示,本实施例中的超声换能器悬浮控制装置,包括电源模块1、主控模块2、交互模块3、PC上位机4、驱动模块5和超声换能器阵列8,所述驱动模块5包括从控模块6和H桥驱动模块7,所述从控模块6由一个从控制器组成或者多个从控制器串联组成,当从控制器为一个时,主控模块2通过SPI接口与该从控制器通信,同时主控模块2通过时钟信号线与该从控制器连接;当从控制器为多个时,主控模块2通过SPI接口与从控模块6中的首个从控制器通信,同时主控模块2与从控模块6中所有从控制器通过时钟信号线和同步信号线连接;所述从控模块6通过控制信号线连接H桥驱动模块7;所述H桥驱动模块7通过线缆连接所述超声换能器阵列8;所述PC上位机4用于下载程序到所述主控模块2和从控模块6,同时用于计算目标聚焦点的控制信息,并配置为通过SD卡19存储所述目标聚焦点的控制信息以供所述主控模块2读取;所述主控模块2用于从SD卡19读取目标聚焦点的控制信息和发送所述目标聚焦点的控制信息、时钟信号、同步信号给所述从控模块6;所述从控模块6根据所述目标聚焦点的控制信息控制所述H桥驱动模块7,H桥驱动模块7用于驱动超声换能器阵列8产生聚焦在目标聚焦点的声场,使微粒悬浮在目标点;所述H桥驱动模块7由至少两个H桥逆变器组成,每个所述H桥逆变器的输出接口连接一个超声换能器12;所述交互模块3与主控模块2通信连接。
本发明中PC上位机4通过STLINK与主控模块2通信,主控模块2通过SPI信号和时钟信号给驱动模块5中的从控模块6传输目标聚焦点的控制信息和从控模块6中的所有从控制器的同步信息,从控模块6通过H桥驱动模块7驱动超声换能器阵列8。本发明通过主控模块2、从控模块6和H桥驱动模块7控制超声换能器阵列8实现多种频率下对每个超声换能器12相位和振幅的独立控制,从而实现超声悬浮和运动控制等功能,适用于科学研究场所和实验平台的搭建,采用模块化设计,成本低且易于实现,具有较广泛的应用前景,弥补了多频率下能同时实现振幅控制和相位控制方面应用研究的空白。
参考图2,所述超声换能器阵列8包括上结构板9、下结构板10、支撑铜柱11、超声换能器12、5p公壳SM2.54接插件13和牛角座14。上结构板9和下结构板10结构相同,厚度为5mm,四角钻孔,且钻孔的孔径为3mm。上结构板9和下结构板10平行正对放置,由四组穿过结构板四角3mm钻孔的支撑铜柱11固定,外牙端向上,每组支撑铜柱11由位于上结构板9和下结构板10之间的第一铜柱以及位于下结构板10下方的第二铜柱组成,为表述方便,将铜柱或尼龙柱的螺纹直径、六角长度、螺纹长度的规格信息表述为“M螺纹直径*六角长度+螺纹长度”,第一铜柱由一节M3*60+6单头六角铜柱、一节M3*25+6单头六角铜柱和一节M3*30+6单头六角铜柱组成,第二铜柱为一节M3*60+6的单头六角铜柱。于上结构板9和下结构板10的正对面上分别布置有八行八列共64个超声换能器12。上结构板9和下结构板10的材料为聚甲基丙烯酸甲酯,其优点为低价格,易于机械加工。
参考图2和图3,超声换能器12可直接从市面购买得到,本实施例超声换能器12采用的具体型号为NU40C16T-1H,在上结构板9和下结构板10上具有用于***并固定超声换能器12引脚的孔洞。在上结构板9和下结构板10上的超声换能器12使用5p公壳SM2.54接插件固定,5p公壳SM2.54接插件13的第一pin和第五pin***单头母端SM端子线,单头母端SM端子线的另一端与16路直针牛角座14焊接。将每个结构板上八行八列的超声换能器12中的每列作为一组,将每组连接到同一个16路直针牛角座14上。
参阅图2,本实施例中悬浮控制空间为由八个位于角落的超声换能器12端面中心所围成的长方体空间,长宽高分别为96mm*96mm*90mm,PC上位机4每隔1mm计算一次目标聚焦点为该点时所有超声换能器12的振幅和相位信息,本实施例相位分辨率n为8,因此该振幅和相位信息具体为每个从控制器的8个分辨率状态对应的IO口控制寄存器的值,并装入到SD卡19中,本发明中的SD卡19采用SDHC卡,其中SDHC卡的格式化方式为FAT32,其优点是PC上位机4操作***和主控模块2的FatFs文件***都能访问其中的文件。
参阅图4和图5,本实施例中主控模块2使用STM32H750XBH6控制器,主控模块2的晶振使用25MHz石英晶振,可提供最大480MHz的运行频率;主控模块2的第一接口连接STLINK接口,用于下载和调试单片机程序;第二接口连接SD卡接口,用于读取***的SD卡19中目标聚焦点对应的相位控制信息,单片机程序使用FatFs文件***,用于访问FAT32格式存储的文件;第三接口通过SPI接口连接第一从控制器20,用于传输目标聚焦点的控制信息;第四接口通过时钟信号线和同步信号线连接第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23,时钟信号使得第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23同步工作,同步信号用于同步第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23的参考相位的起始时刻,以实现相位延时控制;第五接口连接交互模块3的LCD电容触摸屏,使用emwin的函数库实现交互,用于显示当前的目标聚焦点、改变目标聚焦点,用于显示和改变某一个超声换能器12的振幅、相位状态;由于emwin函数库较大,STM32H750XBH6控制器的片内128kb的flash不足以运行,因此应将程序下载到片外8M的eeprom中运行,并在片内flash下载boot引导程序。
本实施例,共有128个超声换能器12, H桥驱动模块7中的H桥逆变器由L298N模块15提供,由于一个L298N模块15可以提供两个H桥逆变器,故共需要64个L298N模块15,从控模块6选用四片STM32H750XBH6控制器(四片STM32H750XBH6控制器即为第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23),第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23各驱动16个L298N模块15。
参阅图6,第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23使用两个SPI接口分别用于接收上一片主控模块2或第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22的控制信息和发送控制信息给下一片从控制器(即第二从控制器21、第三从控制器22或第四从控制器23),由于只有单向数据传输,因此只使用三根信号线,即SCK、NSS和MOSI线,同时还能使两根引脚检测上升沿中断用于接收时钟信号和同步信号并作相应的处理。
参阅图6,本实施例中,超声换能器12的谐振频率为40KHz,相位分辨率为8,故时钟信号的频率等于超声波的频率与相位分辨率的乘积320KHz,超声波的周期为超声波频率的倒数3.125微秒,同步信号的周期为超声波周期的1000倍即3.125毫秒。本实施例中相位分辨率为8,将一个超声波的周期分为等时长的8份单位时间,第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23的输出口在每个单位时间对应一个状态,即在一个超声波的周期中由8个状态。当时钟信号到来后,第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23以此作为相位相对延时的基准点,基准点后的第一个时钟信号到来后作为所述8个状态中的第一个状态,由于STM32H750XBH6控制器IO口的输出由ODR寄存器控制,因此第一从控制器20、第二从控制器21、第三从控制器22和第四从控制器23将第一个状态对应的控制信号写入到ODR寄存器中,第2、3、4、5、6、7、8个时钟信号分别对应第2、3、4、5、6、7、8种状态,以此作为一个循环周期,第9个时钟信号又重新对应第1种状态。
参阅图4,本实施例中,每16个L298N模块15通过电路板16堆叠成4层,每层四个,并通过牛角座14统一连接输入和输出端口。
最下层为长、宽均为100mm的电路板16。电路板16在对应L298N模块15过孔的位置打四组孔,每组孔为间距为35mm的四个孔。由四组单头六角尼龙柱17穿过电路板16和L298N模块15固定,螺牙端向上,每组L298N模块15由十二根位于两层L298N模块15间的M3*30+6单头六角尼龙柱17、四根位于L298N模块15和电路板16间的M3*30+6单头六角尼龙柱17固定在电路板16上。最上层的上用M3尼龙螺母18固定。将L298N模块15的+12v接口与电路板16的VCC接口用一端为母头另一端剥去绝缘层的杜邦线相连,将杜邦线母头插在电路板16的VCC上,将杜邦线剥去绝缘层的一端接入L298N模块15的+12v接口;将L298N模块15的GND接口与电路板16的GND接口用一端为母头另一端剥去绝缘层的杜邦线相连,将杜邦线母头插在电路板16的GND接口上,将杜邦线剥去绝缘层的一端接入L298N模块15的GND接口;将L298N模块15的IN1、IN2、IN3、IN4接口与电路板16的IN1、IN2、IN3、IN4接口用4pin母对母杜邦线相连。将L298N模块15的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4接口与电路板16对应层对应组的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4接口用一端为母头另一端剥去绝缘层的杜邦线相连,将杜邦线母头插在电路板的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4排针上,将杜邦线剥去绝缘层的一端接入L298N模块15的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4接口内。其主要作用是固定L298N模块15并节约空间,统一成牛角座接口能避免走线过乱。
本实施例中,为主控模块2和从控模块6供电的电源电压为5V,为L298N模块15供电的电源电压为12V。
本实施例中,上电后通过交互模块3配置初始目标聚焦点,将一个微粒置于对应的目标聚焦点上,可实现微粒的悬浮;小幅度地改变目标聚焦点,可以实现微粒的运动;改变某个超声换能器12的振幅或相位,可以观察其实际的影响。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超声换能器悬浮控制装置,包括电源模块,其特征在于,还包括:PC上位机、主控模块、交互模块、驱动模块和超声换能器阵列,所述驱动模块包括从控模块和H桥驱动模块,所述从控模块由一个从控制器组成或者多个从控制器串联组成,当从控制器为一个时,主控模块通过SPI接口与该从控制器通信,同时主控模块通过时钟信号线与该从控制器连接;当从控制器为多个时,主控模块通过SPI接口与从控模块中的首个从控制器通信,同时主控模块与从控模块中所有从控制器通过时钟信号线和同步信号线连接,多个从控制器之间通过SPI接口串接;所述从控模块通过控制信号线连接H桥驱动模块;所述H桥驱动模块通过线缆连接所述超声换能器阵列;所述PC上位机用于下载程序到所述主控模块和从控模块,同时用于计算目标聚焦点的控制信息,并配置为通过SD卡存储所述目标聚焦点的控制信息以供所述主控模块读取;所述主控模块用于从SD卡读取目标聚焦点的控制信息和发送所述目标聚焦点的控制信息、时钟信号、同步信号给所述从控模块;所述从控模块根据所述目标聚焦点的控制信息控制所述H桥驱动模块,H桥驱动模块用于驱动超声换能器阵列产生聚焦在目标聚焦点的声场,使微粒悬浮在目标点;所述H桥驱动模块由至少两个H桥逆变器组成,每个所述H桥逆变器的输出接口连接一个超声换能器;所述交互模块与主控模块通信连接;所述时钟信号的频率等于超声波的频率和相位分辨率的乘积,超声波的周期为超声波频率的倒数,同步信号的周期为超声波周期的整数倍,设相位分辨率为n,将一个超声波的周期分为等时长的n份单位时间,从控制器的输出口在每个单位时间对应一个状态,即在一个超声波的周期中有n个状态。
2.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述电源模块包括供给主控模块和驱动模块的供电电源和经H桥逆变器逆变后驱动超声换能器工作的功率电源。
3.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述PC上位机在SD卡中存储的目标聚焦点的控制信息包括悬浮空间中每一个点对应的所有超声换能器的振幅和相位信息。
4.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述主控模块采用单片机控制器,主控模块的第一接口连接STLINK接口,主控模块的第二接口连接SD卡,当从控模块中的从控制器为一个时,主控模块的第三接口与该从控制器通过SPI通信连接,当从控模块中的从控制器为多个时,主控模块的第三接口通过SPI通信连接从控模块中的首个从控制器,主控模块的第四接口通过时钟信号线和同步信号线连接从控模块中的所有从控制器,主控模块的第五接口连接交互模块。
5.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述从控模块由一个单片机控制器组成或者多个单片机控制器串联组成,从控模块的每个单片机控制器控制器的第一接口连接STLINK接口,第二接口连接接收SPI接口,第三接口连接发送SPI接口,第四接口连接时钟信号和同步信号接口,第五接口通过牛角座引出控制H桥驱动模块的控制信号端口。
6.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述H桥驱动模块的输入接口和输出接口都通过牛角座引出,单个H桥逆变器都有两根输入控制线和两个输出端,两根输入控制线有四种电平组合,即低电平和低电平、低电平和高电平、高电平和低电平、高电平和高电平,对应三种输出状态,即正功率电源电压、负功率电源电压和无电压。
7.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述超声换能器阵列中的超声换能器通过5p公壳SM2.54接插件连接并引出,所述5p公壳SM2.54接插件的第一pin脚和第五pin脚连接端子线,所述端子线另一端焊接到牛角座上。
8.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述交互模块用于显示当前的目标聚焦点和输入改变目标聚焦点指令,用于显示超声换能器的振幅、相位状态和输入改变某一个超声换能器的振幅、相位状态的指令。
9.根据权利要求1所述的超声换能器悬浮控制装置,其特征在于:所述超声换能器阵列由至少两个超声换能器组成,H桥逆变器数量等于超声换能器数量,每个从控制器驱动超声换能器的个数小于等于32个。
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