引言
超声医学即利用超声波的物理特性进行诊断和治疗的一门影像学科,其临床应用范围广泛,目前已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。
本系统是一个便携式软组织超声诊断仪的一部分,主要功能是高频超声信号采集。其工作机制,是在前端低频脉冲(20Hz~10KHz)的触发下,对由超声换能器产生的高频超声信号(1MHz~20MHz)进行采集,预处理,然后通过USB总线传输给PC机,由软件进行分析、处理。
在本设计方案中,高速CPLD芯片作为数据采集系统的核心部分,相比传统的MCU+ADC方法,CPLD是用硬件信号而不是软件编程来控制ADC,从而在速度上有很大的优势。而目前强大的VHDL编程语言也使得CPLD能很容易地实现预想的功能逻辑。数据处理部分,选用数据处理功能强大、处理速度高的DSP芯片作为CPU。而在与上位机通信方面,采用支持即插即用且成本也相对较低的USB接口。整体系统方面,各个子系统之间的数据传输和同步问题是技术难点。在经过反复比较和测试之后,采取高速存储器作为数据缓冲区的方案。
系统各组成模块
系统组成框图如图1,包括三个子系统:CPLD子系统,DSP子系统和USB子系统。其中,CPLD+ADC实现数据采集,DSP则负责数据处理,两者之间通过一片高速RAM来交换数据;USB芯片(AN2131Q)负责把数据通过USB线上传给主机,它和DSP之间通过一片锁存器进行通信。
数据采集子系统(CPLD子系统)
该子系统主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所组成。
由于要采集的超声信号最高频率为20M,根据Nyquist定律,采样频率应该在40MHz以上,为了提高精度,系统采用了ADI公司的AD9283芯片。该芯片最高工作频率为100MHz,经过测试,可很好地满足系统带宽要求。
以往的便携式数据采集系统中,下位机部分ADC-RAM模块往往采用MCU作为CPU来控制,因此,采集频率直接受到MCU速度的制约,而且和RAM存储器的同步也成为问题。经过比较,本系统采用Altera公司的CPLD芯片来控制ADC和RAM,从而很好地解决了时序精度和同步的问题。 |