如何用FPGA构建便携式超声系统？

只看该作者 · 2013-7-25 22:32

人们一直希望便携式超声系统能以低成本提供出色的分辨率。便携式系统使医疗保健服务提供商能够在灾区、发展中地区和战场等地区使用超声设备。然而设计这些结构紧凑的系统非常复杂，面临诸多挑战，因为此类系统要包含多达128个通道，要求支持连续波多普勒，满足众多连接功能要求，支持模数转换、高端DSP、高速互联和强大的处理能力等。本文将向设计工程师介绍如何利用Virtex-6、Spartan-6和7系列FPGA解决上述复杂问题，在适当的成本和功耗约束范围内快速为市场提供尖端超声技术。
超声技术

超声设备向身体发射聚焦声束超声波，并通过声波反射的强度及延迟差异重现对象图像，从而形成生物组织的声波照片。声波技术通常配合探头模块末端的压电式换能器阵列使用，按压在身体上。压电式换能器元件在高压(5VPP–300VPP)脉冲电流激励下产生振动，进而生成发射声波。阵列中各个元件的相位彼此对齐，在身体预先指定的位置和距离形成聚焦声束超声波。入射波通过对象时，各组织层之间的声阻抗差就会产生反射发回到换能器(见图1)。

图1 声波反射

发射声波后，换能器元件立即变成检测器，接受回波信号。在待分析区沿着成百上千条扫描线聚焦发射波束，就能形成代表性身体图，然后在后端电子系统中重组这些扫描线，就形成了2D图像(见图2)。3D超声系统沿着副轴机械移动换能器阵列，增加三维扫描线。

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发射电子器件或发射波束形成器的工作相对简单，只需在图像范围发射声波并正确对齐相位即可。但接收电子器件的任务则比较复杂，涉及专有技术，要把接收到的声反射转化为图像。接收电子元件或接收波束形成器必须对各个接收通道适当进行相位对齐以设置正确的聚焦深度，滤波输入的数据，对波形进行解调，再将所有通道累加在一起形成扫描线。每条扫描线重复上述操作，然后对所有扫描线进行聚集、内插并滤波，以形成最终图像。
便携式超声系统组件

市场上主要有四种不同外形的便携式超声产品(图3)：手持式超声设备、平板式超声设备、膝上型超声设备、“饭盒式”超声设备。

图3 便携式超声设备的外形

本文将重点介绍膝上型超声设备。从高级层面而言，超声系统由三个独特的处理模块组成：模拟前端(AFE)、带前端处理功能的波束形成器和后端(见图4)。

图4 超声系统模块方框图

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模拟前端(AFE)

模拟前端(AFE)是超声应用中一款高度专业化的系统，既可通过每8至16个通道采用全集成单芯片的形式，也可通过每通道采用多芯片定制解决方案来实现。为了满足换能器接收信号动态范围较大的要求，我们可用可变增益放大器(VGA)或时间增益补偿器(TGC)将信号映射到模数转换器(ADC)较窄的动态范围上。在全集成AFE(图5)中，VGA/TGC由逻辑通过SPI接口控制。ADC数据串行连接，并通过LVDS或新兴JEDEC JESD204x标准传输到数字处理器件。

图5 模拟前端

在AFE发射侧，DAC用来将输出脉冲数据转换为模拟数据。模拟信号驱动高压脉冲器或放大器，进而产生换能器的发射波形。

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波束形成器

超声波束形成器包括两个组成部分。发射波束形成器(又称Tx波束形成器)负责启动扫描线并生成发送给换能器元件的定时脉冲串，以设置对象所需的聚焦点。接收波束形成器(又称Rx波束形成器)负责从模拟前端接收回波波形数据，并将数据通过滤波、开窗(切趾术)、求和及解调整理为代表性扫描线。这两个波束形成器模块保持时间同步，连续向彼此传送时序、位置和控制数据。

Tx波束形成器负责定时数字脉冲串的导向(steering)和生成，该脉冲串外部转换为换能器的高压脉冲。根据给定扫描线聚焦超声波束所需的即时位置可实时计算出延迟。Tx波束形成器模块相当小，占用的逻辑资源不到Rx波束形成器的10%。其包括时序生成器和脉冲成形，通常并行连接到外部DAC。

Rx波束形成器对原始换能器Rx数据进行分析，以提取并聚集成超声扫描线。这是一个DSP密集型模块，会占用大量的逻辑资源。图6对处理步骤和子模块进行了汇总。

图6 Rx波束形成器功能步骤

每个通道都要进行上述每个步骤，直到最后求和;而每个扫描线则需要进行其他步骤。这是一种典型的处理流程，实际超声实施方案可采用上述步骤的任意组合，并配合其他专有处理模块。

后端处理

后端处理引擎通常包括B模、M模、多普勒和彩色血流处理功能块。上述功能块同时工作，执行多种不同的任务。B模处理引擎负责接收解调和压缩的扫描线，并用内插和灰度映射在扫描线基础上形成二维灰度图像。M模将一段时间内的数据点加以比较，从而识别出声源的运动、速度和运动位置。多普勒处理来自多普勒专用模拟前端的数据，并生成精确的方向和速度信息。彩色血流处理模块将色度映射到运动数据上，反映出速度和方向，再将其覆盖到B模功能块生成的灰度图上。随后后端进行清空，根据超声医师和所用显示设备的要求调节图像，并存储、显示和发送静态输出及视频输出。

我们可在超声系统中使用多种不同增强技术来减少斑点，改进聚焦，并设置对比度和灰度深度。例如：角复合、小波分解、各向异性双边滤波、直方图均衡化、帧平滑、边缘检测等。

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功耗

降低功耗是一项主要的设计约束。就便携式医疗超声系统而言，降低功耗至关重要。医疗系统电源对安全性和质量也有着严格的标准要求。在满足上述安全性和质量标准要求的同时，一旦对功率要求有所提升，电源设计必将面临非常严峻的成本和复杂性挑战。

散热也是降低功耗的一大原因。必须做好散热工作，确保系统组件的温度在适当的工作范围内。因此我们必须认真设计散热片、风扇、封装和PCB。而FPGA有助于解决上述一些功耗约束难题。

便携式超声系统的接口复杂性

便携式超声系统在小型封装中集成了众多不同类型的组件。每个组件都有不同的接口要求，这就需要我们采用多样化的连接解决方案。

便携式超声系统接口存在三大问题。其一，就是波束形成器逻辑和数据转换器之间AFE接口的I/O数量较多。JESD204A为未来的超声系统提供了极富吸引力的解决方案。

其二，就是前端和后端处理模块之间的问题。为了尽可能减少I/O数量，我们通常在两个不同领域之间使用高速SerDes链接。在高端系统中(通常为购物车外形)，我们可用PCIe背板来满足高带宽要求。图7给出了现代便携式超声系统中的主要接口。

图7 典型便携式超声接口

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其三，就是设计人员往往受制于常用组件的成本和I/O方面的限制。FPGA能够让设计人员在单个器件中集成多种系统功能。该器件将一系列可配置存储器、DSP和I/O与大量逻辑单元紧密集成在一起，并采用先进的工艺技术制造而成。单个器件系统集成大幅降低了物理PCB级连接的技术挑战和成本压力。由于FPGA芯片由FPGA制造商设计，因此用户不必担心NRE及生产成本。用户只需创建设计，把设计文件下载到FPGA器件上，就能完成特定设计的配置工作。
赛灵思FPGA在便携式超声系统中的应用

赛灵思FPGA可帮助便携式超声供应商更好地推出小型化高性能低功耗产品。

降低功耗

降低功耗的主要原因在于：
(1)在电池或发电机供电情况下延长工作时间;
(2)减少对电源性能的需求(电源性能受制于严格的质量与安全控制要求);
(3)最大限度地减少系统热量，从而减少散热管理设计的成本、尺寸和重量。

赛灵思FPGA能够在技术、架构和设计工具三个方面进一步降低便携式超声设计的功耗。
图8显示了Virtex-6器件的一般晶体管组合，能够以最低功耗满足所需的性能基准要求。这种方案也在7系列FPGA中得以延续，而且与前代产品系列和业界竞争型FPGA相比，利用28nm定制工艺能将静态功耗锐降40–80%。

图8 Virtex-6 FPGA中的8种晶体管类型分布

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降低功耗不仅限于工艺技术层面，通过采用较低功耗的LUT6架构，实现更多时钟门控选项以及嵌入PCI Express、以太网MAC等关键IP模块，并创建更直接的路由选项，我们能够进一步降低功耗，从而减小连接点之间的电容。对于需要最小化功耗的应用领域而言，相对于前代FPGA而言功耗也能实现50%的显著改进。

赛灵思独特的自动时钟门控技术能将动态功耗降低多达30%。下一步重要工作就是用赛灵思的XPower Analyzer全面分析设计功耗情况，如图9所示。

图9 XPower Power分析界面

该工具可提供准确的实现后功耗分析，凸显了潜在能够降低功耗的设计区域。根据功耗瓶颈情况，用户能够实现赛灵思自动化功耗改进工具的任意组合，如逻辑再综合、功耗优化放置以及路由电容优化等。如果仍需要进一步降低功耗，我们还能用XPower工具来明确哪些模块产生的功耗最多，哪些设计方法最适用于降低动态功耗。

采用赛灵思FPGA从容应对接口挑战

便携式超声系统中最关键的接口瓶颈是AFE到波束形成器的接口，我们在此需要大量I/O与并行DAC和LVDSADC接口相连。

为了进一步降低AFE到波束形成器接口的复杂性，模拟供应商采用高速串行JEDEC JESD204A标准作为从ADC向DAC传输数据的高效途径，其速率可高达每通道每秒3.125Gb。赛灵思能够为采用GTP/GTX收发器的ESD204A标准提供全方位的支持。

虽然JESD204A标准是比较受青睐的解决方案，但在多个低逻辑密度的高引脚数FPGA上对前端设计进行分区更合适。这种方案几乎彻底杜绝了在以下方面同时进行输出(SSO)转换的问题，如：在更多VCC/GND对上分布I/O;为PCB布局工程师提供更大的工作面积(这可进一步避免PCB路由拥堵问题)，以及;为在更大的封装和PCB空间(可作为散热片发挥作用)中进行布局设计减少了散热管理问题。不过，设计分区也会带来PCB尺寸放大的不利影响，进而导致系统体积增大，因此设计人员应当根据空间约束、通道数量以及模拟前端的设计要求实现良好的平衡。

在此情况下，FPGA可谓最佳解决方案，能实现较多的引脚数量，同时还具有大容量的片上存储器。

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可高度扩展的设计

如果采用7系列FPGA的统一架构，就能大幅缩短开发时间，确保用户快速在整个产品系列中实现设计模块的移植。此外，IP核的可用性也能显著获得提升，因为赛灵思和IP核合作伙伴仅需一次性优化IP核即可，随后就能根据不同的器件要求加以调整，从而尽可能减少修改幅度，而且每个系列的重复验证也会很方便。统一架构的另一优势在于其能在较短的时间内为新的超生系统获得医疗设备认证，因为大部分HDL代码都能在不同产品系列上实现重复利用，在某些情况下甚至包括网表的重复利用。

总而言之，赛灵思的通用架构能大幅提高超声系统供应商的规模经济效益，帮助他们提供多种不同的系统功能和复杂性选择，同时还能缩短开发时间和产品的批准认证时间，使供应商能够更方便地根据不同应用需求使用性价比最高的器件。

赛灵思IP核

赛灵思IP核是赛灵思设计方案的关键构建块。种类丰富的基础IP核可满足FPGA设计人员的一般性需求，而稳健可靠的特定领域和特定市场IP核则能满足DSP、嵌入式和连接设计的特定需求。超声系统所需的众多关键DSP功能和连接接口都可作为赛灵思或合作伙伴的IP核提供。使用赛灵思IP核不仅能够最大限度地缩短开发时间，并且还能帮助用户集中精力实现产品差异化设计，而非标准功能开发——这是使用赛灵思产品的一项独到的优势。

总结

Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA均可提供专用ASIC和DSP的高性能，同时还具备极低NRE成本、大幅缩短产品上市时间、便于设计移植、高I/O数量和PCB布局简化等优势。此外，配合业界领先的功耗优化工具，赛灵思的40nm和即将推出的28nmFPGA定制低功耗工艺技术还能大幅降低功耗，显著优于业界同类型的竞争解决方案。上述所有优势都能帮助便携式超声系统开发人员快速部署系统，在预算和功耗要求限度内推出最新技术，从而改进患者的护理工作。

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