基于FPGA的超聲波成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉先萬(wàn) 劉聰鑫 胡霄 吳松和

摘要：文章自主設(shè)計(jì)了一種超聲波成像系統(tǒng)，采用超聲波激發(fā)電路發(fā)射窄脈沖信號(hào)，激勵(lì)微型電容式超聲換能器向目標(biāo)檢測(cè)物體發(fā)射超聲波信號(hào)，采用收發(fā)隔離電路接收目標(biāo)檢測(cè)物體反射回的回波信號(hào)，結(jié)合FPGA模塊對(duì)回波信號(hào)的處理，大大提高了信號(hào)處理速度，及成像效率。

關(guān)鍵詞：超聲波成像；超聲換能器；FPGA處理

隨著科技的進(jìn)步，超聲波成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)診斷、無(wú)損檢測(cè)、超聲顯微鏡和水下探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)均發(fā)揮著重要的作用。超聲成像系統(tǒng)的性能取決于超聲換能器、信號(hào)處理電路、圖像處理的方法和聲學(xué)封裝的技術(shù)水平。其中超聲換能器能夠發(fā)射超聲波和檢測(cè)超聲波，實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換，是超聲成像診斷設(shè)備的核心部件，所以超聲換能器的發(fā)展對(duì)提高超聲檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展起著決定性的作用。但現(xiàn)有的超聲波成像裝置中大多數(shù)利用傳統(tǒng)的壓電式超聲波換能器，由于種種限制已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代超聲檢測(cè)的需求?；诖?，文章利用微電容式超聲波換能器，通過(guò)回波處理電路等模塊，利用FP-GA+ARM的異構(gòu)系統(tǒng)，完成數(shù)字波束合成，解調(diào)和檢波等信號(hào)處理，最終實(shí)現(xiàn)成像。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心控制方式采用FPGA與ARM異構(gòu)，其中選用的是Altera公司的DE2-70開(kāi)發(fā)板，ARM處理芯片選用的是ST公司的STM32F系列開(kāi)發(fā)板，總體結(jié)合FPGA的強(qiáng)大運(yùn)算能力和ARM高效的處理能力，使設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有高效的工作性能。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

首先電源模塊的作用為給電路中各個(gè)模塊進(jìn)行供電用來(lái)保證電路持續(xù)穩(wěn)定工作。超聲波激發(fā)電路能夠產(chǎn)生尖銳的高壓脈沖信號(hào)，可以用來(lái)激勵(lì)超聲波換能器發(fā)射定向超聲波。發(fā)射出的超聲波信號(hào)與被測(cè)物體接觸后會(huì)產(chǎn)生回波反射信號(hào)，接收回波前，該信號(hào)先要經(jīng)過(guò)一個(gè)收發(fā)隔離電路用于分隔入射波與反射波，阻止高壓發(fā)射脈沖進(jìn)入回波接收電路。由于超聲系統(tǒng)成像時(shí)，經(jīng)物體反射回來(lái)的超聲波衰減嚴(yán)重，回波信號(hào)比較微弱，故需要利用一個(gè)低噪聲放大器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，增大信噪比。隨后將經(jīng)過(guò)低噪聲放大后的信號(hào)接到8位精密高速AD模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入FPGA作進(jìn)一步處理。利用FPGA強(qiáng)大的運(yùn)算能力，通過(guò)其內(nèi)部相應(yīng)智能算法實(shí)現(xiàn)成像。接著，調(diào)用Altera提供IP core創(chuàng)建新的濾波器模塊，設(shè)定好參數(shù)，然后將經(jīng)過(guò)濾波處理的多路信號(hào)送入加法器中，將多路信號(hào)合成為一路。之后通過(guò)一個(gè)正交解調(diào)器，去除回波信號(hào)中的載波分量，提取信號(hào)的幅度和相位信息。FPGA與ARM控制芯片間通過(guò)HPS橋進(jìn)行連接，F(xiàn)PGA處理得到的圖像信息會(huì)傳送給ARM控制核通過(guò)其外接的LCD顯示模塊顯示出來(lái)，ARM控制核外接按鍵控制模塊，有助于接收用戶(hù)的調(diào)控操作指令，并將調(diào)控操作指令發(fā)送至STM控制模塊。

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路的原理圖如圖2所示。在換能器一端施加上直流偏置，使其回復(fù)力和電場(chǎng)力達(dá)到平衡，同時(shí)在換能器另一端疊加交流激勵(lì)。左右兩邊直流和交流信號(hào)同時(shí)輸入，使換能器在交流激勵(lì)與直流偏置共同作用下產(chǎn)生超聲波。

2.2 收發(fā)隔離電路

收發(fā)隔離電路的原理圖如圖3所示，其理論依據(jù)主要是基于二極管限幅原理。此電路具有2個(gè)作用：對(duì)高壓輸入信號(hào)限幅，使此信號(hào)通過(guò)后續(xù)檢測(cè)電路時(shí)不會(huì)燒壞檢測(cè)芯片；將回波信號(hào)與輸入信號(hào)分離，使微弱回波信號(hào)不被高壓輸入信號(hào)淹沒(méi)。收發(fā)隔離電路隔離電容、二極管電橋、偏置網(wǎng)絡(luò)、雙向二極管組成。

2.3 低噪聲放大電路

采用AD603放大器，AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，是一個(gè)低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，它能夠提供精確的、可調(diào)的、能夠線(xiàn)性變化的增益，且在溫度和電源電壓變化時(shí)有很高的穩(wěn)定性，通常用于射頻（RF）和中頻（IF）自動(dòng)增益控制（AGC）系統(tǒng)。本部分電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，經(jīng)電路仿真與實(shí)測(cè)，該電路能夠起到較為理想的放大效果。

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以現(xiàn)有的超聲成像技術(shù)和系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的其他原理與技術(shù)，旨在設(shè)計(jì)一套更加高效且更為適用的超聲成像系統(tǒng)。文章設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）在數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理以及存儲(chǔ)調(diào)用采用了FP-GA與ARM異構(gòu)，實(shí)現(xiàn)使用不同類(lèi)型指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元，提高了數(shù)字信號(hào)處理的速度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整體程序設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)潔。FPGA進(jìn)行計(jì)算，ARM進(jìn)行主控控制，二者結(jié)合，使主控系統(tǒng)處理能力高效、易行。

（2）在設(shè)計(jì)電路的低噪聲放大器模塊上，選用AD603程控增益放大器來(lái)放大微弱的回波信號(hào)，可以得到較為適合穩(wěn)定的回波信號(hào)。

（3）文章設(shè)計(jì)激發(fā)主電路采用窄脈沖激發(fā)方式，采用電容快速放電激發(fā)換能器發(fā)射超聲。窄脈沖發(fā)射是通過(guò)電感或電容快速放電產(chǎn)生尖銳的高壓脈沖信號(hào)來(lái)激勵(lì)超聲換能器以發(fā)射超聲，對(duì)縮小盲帶、提高探測(cè)精度具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以目前出現(xiàn)的超聲成像技術(shù)為指導(dǎo)，改變主控模式，以實(shí)際電路模塊設(shè)計(jì)出一款全新的超聲定向系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)效果較為穩(wěn)定，能夠從控制源頭增加成像的智能效果，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]周琦，劉方軍，李志軍，等.超聲相控陣成像技術(shù)與應(yīng)用[J].兵器材料科學(xué)與工程，2002，25（3）：34-37.

[2]柴志雷.基于fpga和arm的嵌入式高性能異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)：CN2031919780[P].2013.

[3]徐琳，王潤(rùn)田，蘆俊.基于超聲波的發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，（1）：199-201.

[4]杜月林，蔣雪飛，梅明濤，等.基于A(yíng)D603程控增益大功率寬帶直流放大器的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2010，29（11）；47-50.