【毕业设计】基于fpga的全数字b超硬件平台设计

学号4109005017泰山医学院毕业设计（论文）题目基于FPGA的全数字B超硬件平台设计院（部）系放射学院所学专业生物医学工程年级、班级2009级1班完成人姓名杨慧指导教师姓名专业技术职称焦青教授2013年6月1日论文原创性保证书我保证所提交的论文都是自己独立完成，如有抄袭、剽窃、雷同等现象，愿承担相应后果，接受学校的处理。专业生物医学工程班级2009级1班签名2013年6月1日摘要随着科技的不断发展和临床诊断的需要，人们对临床检查设备的要求越来越高，而在医学诊断中超声诊断设备以其无痛、无损、无电离辐射、实时动态和快速重复检查等诸多优点而名列医学成像诊断的首位。目前，在我国一万五千多所县级医院中，有相当一部分超声医疗设备档次偏低，很多设备急需更新。尽管我国B超诊断仪行业技术发展很快、产品不断升级，在中低档B型超声设备中，其主要的性能指标已达到国外同类型产品水平，有能力替代进口产品，但在高端产品B超诊断仪中，差距就比较大了。目前国际趋势是高档、中高档、彩超都趋向全数字化技术。信号处理是全数字B超诊断系统中的关键关节，本论文主要探讨了全数字B超的发展方向及主要的信号处理技术。研究并设计了基于FPGA的全数字B超诊断仪的信号处理的硬件系统，讨论了基于FPGA的全数字B超诊断仪在信号处理方面的优势，验证了FPGA在全数字化B超诊断仪的信号处理过程中所起到的重要作用。关键词B超；全数字B超；信号处理；FPGAABSTRACTWITHTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYANDTHENEEDOFCLINICALDIAGNOSIS,FORCLINICALEXAMINATIONEQUIPMENTDEMANDISHIGHERANDHIGHER,ANDINMEDICALDIAGNOSTICULTRASOUNDDIAGNOSTICEQUIPMENTFORITSPAINLESS,NONDESTRUCTIVE,WITHOUTIONIZINGRADIATION,REALTIMEDYNAMICANDRAPIDANDREPEATEDINSPECTION,ANDMANYOTHERADVANTAGESINMEDICALIMAGINGDIAGNOSISINTHEFIRSTPLACEATPRESENT,INOURCOUNTRY,MORETHANFIFTEENTHOUSANDCOUNTYLEVELHOSPITALS,ACONSIDERABLEPARTOFTHEMEDICALEQUIPMENTLEVELISLOW,MANYEQUIPMENTNEEDEDUPDATEALTHOUGHOURCOUNTRYBULTRASONICDIAGNOSTICINSTRUMENTINDUSTRYTECHNOLOGYDEVELOPMENT,PRODUCTCONSTANTLYUPGRADING,QUICKLYINCHEAPBTYPEULTRASOUNDEQUIPMENT,ITSMAINPERFORMANCEINDEXHASREACHEDTHELEVELOFSIMILARPRODUCTSABROAD,HAVETHEABILITYTOREPLACEIMPORTEDPRODUCTS,BUTTHEBULTRASONICDIAGNOSTICAPPARATUSINTHEHIGHENDPRODUCTS,THEGAPISBIGATPRESENTINTERNATIONALTRENDISHIGHGRADE,MIDDLEGRADE,COLOURTOEXCEEDTOBEFULLYDIGITALTECHNOLOGYSIGNALPROCESSINGISDIGITALULTRASOUNDDIAGNOSTICSYSTEMOFKEYJOINTS,THISPAPERMAINLYDISCUSSESTHEDEVELOPMENTDIRECTIONOFALLDIGITALULTRASOUNDSIGNALPROCESSINGTECHNOLOGYANDMAINRESEARCHANDDESIGNOFTHEDIGITALULTRASOUNDDIAGNOSTICINSTRUMENTBASEDONFPGASIGNALPROCESSINGHARDWARESYSTEM,THEDIGITALULTRASOUNDDIAGNOSTICINSTRUMENTBASEDONFPGAISDISCUSSEDINTHEFIELDOFSIGNALPROCESSINGADVANTAGES,FPGAISVERIFIEDINACOMPLETELYDIGITALULTRASOUNDDIAGNOSTICAPPARATUSTHATPLAYANIMPORTANTROLEINSIGNALPROCESSINGKEYWORDSULTRASOUNDALLDIGITALULTRASOUNDSIGNALPROCESSINGTHEFPGA目录第一章绪论11课题来源12论文结构2第二章全数字B超主要的信号处理技术及发展方向31全数字B超主要的信号处理技术311动态聚焦与全数字波束形成技术312模拟信号早期数字化32全数字B超的发展方向4第三章基于FPGA的全数字B超系统的优势与硬件平台设计方案61FPGA简介62基于FPGA的全数字B超系统的优势63全数字B超系统中基于FPGA的信号处理设计方案631基于FPGA的B超诊断仪信号处理系统简单介绍632电路板组成733电路板连接电路834高速数模转换芯片ADV7123835系统验证114结论11第四章总结与展望12参考文献13致谢14第一章绪论1课题来源自1952年首次应用B型超声对肝脏标本显像开始，B型超声诊断仪就在医学诊断中占有了重要地位。然而，由于人体组织器官的复杂性、多样性、特异性，传统的B超诊断技术已无法满足要求。如今医学超声诊断的新技术飞速发展主要体现在宽频带化、数字化功能化、多维化及信息化等特点上。11宽频化80年代中期，人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响，开发出了宽频带探头，其有效带宽在3MHZ左右。90年代，变频宽带探头和超宽频带探头获得应用，一只探头可以分别产生以25、35、6MHZ为中心频率的超声波，其频带宽度可以达到8MHZ以上。现在，超宽频带探头已可以产生1812MHZ的超声波，术中探头则能产生615MHZ的超声波，超高频探头甚至可以产生60100MHZ的超声波。12数字化现代B型超声显像仪发展进程就是不断向数字化发展的过程。70年代中期，数字扫描转换技术就开始应用于超声显像仪。80年代中期，出现了同时发射和接收处理128路回声信号，并由微机控制，由模、数混合运算，计算出符合声学理论计算的每个回波声束，由软件控制的声透镜做动态聚焦、动态变迹、动态孔径和增强处理。随后，又出现了以全数字运算微机控制的128通道回声信号前端数字处理的超声显像诊断仪。13多维化医学超声二维图像虽然有飞跃的发展，但仍有其缺点。因此，实现超声体成像（ULTRASONICVOLUMEIMAGING）就成为医学超声诊断技术发展的趋势，体图像不仅弥补了平面声像的不足，还将医学超声诊断推向多维化新阶段。严格地来说，显示空间形态与结构（X，Y，Z）的是三维参数图像，能够显示结构运动（X，Y，Z，V）是四维参量图像，即动态体成像，而又能在动态体成像上同时显示动态血流的是五维（X，Y，Z，T，V）参量图像，可称为彩色动态体成像。14信息化90年代中期，多种功能强大的图像处理工作站相继问世，除上述功能外，可以存档图像上万幅，可以由二维图像重建三维图像。近来又在一些处理机上实现了远程图像传递及远程会诊。全数字B超诊断仪是现代B超诊断仪的发展趋势，其中信号处理又是B超诊断中极为重要的环节。随着超声成像技术的不断发展，医用超声设备变得越来越丰富、系统集成度越来越高，而体积却变得越来越小；随着集成的逻辑资源越来越多、植入的功能模块性能的不断提高，FPGA正朝着单片系统的方向发展，其在超声设备上的应用也变得越来越广泛。2论文结构论文探讨了全数字B超主要的信号处理技术。讨论了基于FPGA的全数字B超诊断仪在信号处理方面的优势，对基于FPGA的全数字B超的硬件平台的设计与调试过程作了总结。包括绪论、全数字B超主要的信号处理技术、基于FPGA的全数字B超的硬件平台的设计与调试和总结展望四个部分。第二章全数字B超主要的信号处理技术及发展方向1全数字B超主要的信号处理技术11动态聚焦与全数字波束形成技术动态聚焦与数字波束形成技术在全数字B超诊断仪的整个系统中发挥重要作用。波束形成的主要功能是对接收的多通道超声回波电信号进行延时求和，对各个通道进行不同的延时可实现超声回波信号的接收聚焦1。随着数字器件速度和规模的提高，数字延时的各项指标正全面赶超模拟延时。图22为延时聚焦示意图，图中小方块为阵元。接收通道1接收通道2接收通道3接收通道4接收通道5接收通道6图21延时聚焦示意图12模拟信号早期数字化B超的接收电路用于检测由人体组织反射的超声信息。全数字B超利用高速AD对前置放大后的回波信号进行采样，使得模拟信号提早转换成数字信号，即模拟信号早期数字化，再利用可编程逻辑器件对采样所得到的数据进行滤波、对数放大及检波等各种处理，有效地维护了信号的完整性，降低失真，避免伪像。动态滤波对数放大包络检波二次采样数据缓存图22超声信号处理流程121动态滤波超声显像中的一个基本问题是人体软组织对超声衰减与频率大致成线性关系，大量的研究和实验表明，组织的衰减同样与超声波的频率有关，随着频率的升高，介质对超声能量的衰减系数增大。数字滤波器可分为两类，分别是IIR（无限冲激响应）数字滤波器和FIR（有限冲激响应）数字滤波器。由于FIR滤波器具有稳定性、因果性及线性相位等特点，因此在这些领域得到了广泛的应用。122对数放大对数放大电路用于压缩回波信号的动态范围，它是保证图像实现灰阶显示以突出有诊断意义的图像信息的基础。如果将回波信号简单地放大后送显示器显示，不仅不能获得对应幅度的不同辉度，还将产生强信号时的“孔阑效应”，不能提取出有诊断价值的信息2。解决办法就是对回波信号进行对数压缩，经过对数压缩的回波图称为灰阶显示回波图。可见，对回波信息进行对数压缩是超声图像信息处理的一项重要内容。全数字B超中的对数放大可基于现场可编程门阵列即FPGA的查找表来实现。123包络检波包络检波电路用于将对数放大器输出的高频回波信号变换为视频脉冲输出3。由于回波是矩形脉冲调制的超声振荡，包络检波器的任务就是要将高频的回波转换解调为视频信号输出。124二次采样在实际的超声信号处理中，常需要根据有用信号来调整采样速率，即对采样后信号进行抽取或插值处理，也称为二次采样技术。2全数字B超的发展方向60年代初，国际上首次将B超诊断仪应用于临床诊断，40多年来B超诊断仪的发展极为迅速。随着数字信号处理及计算机技术的发展，目前国际上先进水平的超声诊断设备几乎每一个环节都包含着数字信号处理的内容，研制全数字化的超声诊断设备已成为发展趋势。基于FPGA及嵌入式操作系统的全数字超声诊断系统具有技术含量高、便携的特点，可用数字硬件电路来实现数据量极其庞大的超声信息的实时处理4。采用在单片FPGA芯片内实现数字式超声诊断部分核心算法并与高性能ARMA8处理器相配合的数字信号处理解决方案，具有高速度、高精度、高集成度、便携的特点，为全数字化便携超声诊断设备的研制打下了基础。一直以来，全数字B超发展的一个最大变化是仪器的小型化和计算机技术的应用。小型化带来的好处是改变了病人迁就仪器的局面，而且特别适用于医院外的现场急救，同时也在基层普查、社区医疗及战地医疗等方面具有更加明显的优势。基于FPGA的全数字B超诊断仪就是在不仅使得B超诊断仪的体积在合理范围内最小化，而且，解决了传统B超在图像处理方面的种种缺点与不足。第三章基于FPGA的全数字B超系统的优势与硬件平台设计方案1FPGA简介FPGA（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点5。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LOGICCELLARRAY）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（CONFIGURABLELOGICBLOCK）、输出输入模块IOB（INPUTOUTPUTBLOCK）和内部连线（INTERCONNECT）三个部分。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。2基于FPGA的全数字B超系统的优势首先，随着数字信号处理及计算机技术的发展，目前国际上先进水平的超声诊断设备几乎每一个环节都包含着数字信号处理的内容，研制全数字化的超声诊断设备已成为发展趋势。其次，普通B超的诊断图像容易受到外界的干扰而不够清晰，使得一些过小的病变信息不易被查出。设计以FPGA为控制芯片来处理数据量极其庞大的超声信息的高性能全数字B超可以保证图像信号的质量，使系统图像清晰，性能稳定，有效地维护了信号的完整性，降低失真，避免伪像，能够满足医疗检测的需要。再次，采取嵌入式技术可以减小B超的体积,降低超声设备的设计成本，提高系统的便携性。最后，系统的维护与技术的升级也会随着核心部件体积的缩小而变得更加方便快捷，较少了工程师维修设备所花费时间和精力。3全数字B超系统中基于FPGA的信号处理设计方案31基于FPGA的B超诊断仪信号处理系统简单介绍本设计中构建了一套简单的基于FPGA的B超诊断仪信号处理系统。如下图所示图31数字B超后端信号处理系统处理过程首先利用高速A/D转换直接对前置放大后的回波信号进行采样，再利用超声回波信号处理系统对采样所得到的数据进行滤波、对数放大及检波等各种处理，再在电源系统的控制下对经过处理后的信号进行D/A转换，最后显示在显示器上。32电路板组成具体电路板由一块FPGA及配置芯片、一块模数转换芯片和一个VGA接口组成。图32简单的超声诊断仪信号处理及显示平台FPGA部分主要实现超声诊断系统的信号处理及控制，模数转换芯片负责把来自FPGA的数字图像信号转换成模拟图像信号，VGA接口则连接显示器，显示成像后的超声图像。33电路板连接电路在对电路板调试过程中，为了稳定的给FPGA供电，电源部分采用的是AMS1117系列线性电源芯片，配置电路相对简单，其最大输出电流为1A，输出电压稳定，可以满足FPGA供电需求。图33电源芯片TPS54618连接电路图34电源芯片AMS111718V连接电路TPS546XX系列为开关电源芯片，配置电路复杂，对布局布线及电容电感要求高。在调试过程中电压输出有时不太正常。分析原因有1）电容类型选择不合理。电解电容性能不稳定，容值易波动；2）电源芯片之间互相干扰。当4个电源芯片全部焊接时，工作一段时间总有一个或者两个芯片工作不稳定。对比图33和图34最后选择了AMS1117系列来实现。因为AMS1117芯片外围电路简单，所以4个芯片焊在了蜂窝板上，虽然外观不漂亮，但却能给FPGA提供稳定的工作电压。34高速数模转换芯片ADV7123FPGA输出的数字图像信号需要进行数模转换后才可以通过VGA接口输出到一半显示器上显示。本设计中采用的是AD公司的高速视频数模转换芯片ADV7123。ADV7123在单个芯片上集成了三个10位高速数模转换器、一个标准TTL输出接口和一个高输出阻抗的模拟输出电流源，可以用5V或3V供电，提供两个额外的同步控制信号，并且具有节能模式。本设计中，ADV7123的时钟信号和数字图像信号都来自FPGA。因为其视频数据的写入需要满足一定的建立时间，所以FPGA输出时钟要相对于工作时钟定的相位延迟。如图34，FPGA输出时钟CCLK较系统工作时钟DCLK有42度的相位延迟，这个延迟由COREGENERATOR中IP核CLOCKINGWIZARD来实现。CLOCKINGWIZARD在实现相位延迟时调用的是专门的时钟管理资源CMT，保证了延迟的准确和精度。图35FPGA输出始终延迟需要说明的是，在FPGA中实现时钟相位延迟、倍频及分频等操作时，一定要使用FPGA中专门的时钟管理单元来实现，否则时钟信号很可能会不能满足应用的需求7。图36为ADV7123与FPGA、VGA接头的接口电路原理图图36ADV7123与FPGA、VGA接头接口原理图如图所示，ADV7123的24管脚为时钟输入管脚，其与FPGA的A16管脚相连。而本文所选用的FPGA的A16管脚为普通IO口，并不是专用时钟管脚。如果普通IO作为时钟输出管脚，那么无论在相位还是占空比等参数上，得到的时钟很可能将无法保证满足要求。通过查找找到了解决问题的方法。具体方法是在工程中例化一个叫做ODDR2的模块如图37所示图37ODDR2的接口与真值表ODDR2实际上是一个DDR寄存器，它可以是FPGA在一个时钟周期内输出两个数据。参考图37中的真值表，管脚C0、C1分别接反相的两个时钟输入端，D0接高电平0，D1接低电平1，R、S管脚都置0。管脚C0上升沿到来时，Q端则输出低电平0，半个时钟周期后C1上升沿到来，则Q端输出高电平1，这样循环往复，Q端便输出了与C1端输入时钟频率相同，相位相同的时钟。实现代码如下ASSIGNCCLK_MOUT_INVERTCCLK_MOUT/求同频率的方向时钟ODDR2/例化ODDR2模块DDR_ALIGNMENT“NONE”,/SETSOUTPUTALIGNMENTTO“NONE”,“C0”OR“C1”INIT1B0,/SETSINITIALSTATEOFTHEQOUTPUT1B0OR1B1SRTYPE“SYNC”/SPECIFIES“SYNC”OR“ASYNC”SET/RESETODDR2_INSTQCCLK,/1BITDDROUTPUTDATEC0CCLK_MOUT,/1BITCLOCKINPUTCE1B1,/1BITCLOCKENABLEINPUTD01B1,/1BITDATEINPUTASSOCIATEDWITHC0D11B0,/1BITDATEINPUTASSOCIATEDWITHC1R1B0,/1BITRESETINPUTS1B0,/1BITRESETINPUT35系统验证该系统仿组织超声体模进行测试，可以看到体模内的结构全部被清晰地显示出来，证明设计是成功的。图38普通彩超设备成像图39基于FPGA的B型超声成像4结论设计电路板时，电源的设计很重要。电源芯片类型和具体型号的选择需要考虑电源输出功率、纹波、输出电压及电流等多种因素。电源部分的设计直接影响电路板工作是否正常和稳定。硬件电路的设计与调试焊接的功底要扎实。尤其是对于一些管脚间距很小的贴片封装的芯片，焊接时一定要小心谨慎，防止虚焊短路的发生。本次设计在电路板调试过程，很多问题最终归结为焊接问题。可见扎实的焊接功底是硬件工程师的必备素质之一。此外，在本次设计实验中，我充分感受到了FPGA在整个全数字B超诊断仪图像处理方面所发挥的重要作用，相对于传统B超，基于FPGA的全数字B超有着不可取代的优势，但是，在FPGA中实现时钟相位延迟、倍频及分频等操作时，一定要使用FPGA中专门的时钟管理单元来实现，否则时钟信号很可能会不能满足应用的需求。所以，对FPGA的进一步开发与研究就显得尤为重要了。第四章总结与展望从本文系统设计与实现过程中可以看出，超声诊断仪信号处理过程较多涉及数字信号处理技术。传统上这些过程的实现多采用数字信号处理器DPS（DIGITALSIGNALPROCESSORS）。DPS是以顺序执行的方式进行任务处理，而FPGA则以并行的方式处理数字信号处理任务。与通用DPS相比，FPGA在保持系统灵活性的情况下还可以达到更高的执行效率。随着FPGA技术不断更新换代，其集成的可配置逻辑资源、存储资源及功能丰富的IP核等也将不断增加8。在系统实现上，相对于多个DSP处理器并行结构，FPGA实现方案无论在整合型还是灵活性上都具有较大的优势。不仅如此，由于FPGA时可重复改变组态的短路，产品开发周期短，可快速上市占领市场，并且在不改变硬件的