唐清善，葉慶東，李亞捷

1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004；2.湖南長城信息產業(yè)股份有限公司，湖南 長沙410100

一種新型B超數(shù)字掃描變換系統(tǒng)的設計方法

唐清善1,2，葉慶東2，李亞捷1

1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004；2.湖南長城信息產業(yè)股份有限公司，湖南 長沙410100

針對B超設備小型化以及掃描圖像存儲容量大的要求，本文提出了一種基于FPGA和DDR SDRAM結構的新型的數(shù)字掃描系統(tǒng)的設計方法；介紹了相應的邏輯設計流程和系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術。仿真結果和實驗結果表明，該系統(tǒng)為實現(xiàn)B超的小型化需求提供了途徑。

B超儀；數(shù)字掃描變換系統(tǒng)；現(xiàn)場可編輯邏輯陣列；雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器

數(shù)字掃描變換系統(tǒng)（DSC）是B超系統(tǒng)中重要的電路組成部分，主要實現(xiàn)B超圖像變換輸出、多幀存儲、凍結放大，以及鍵盤控制等功能。隨著技術的進步和醫(yī)學要求的提高，對DSC部分提出了一些新的需求，如實現(xiàn)B超系統(tǒng)小型化、與數(shù)字化醫(yī)院的電子病歷系統(tǒng)對接、直接支持VGA顯示和液晶面板顯示以及支持打印機和U盤存儲、讀取等多種功能[1-3]。而現(xiàn)有的DSC設計方式一般是采用多片ROM和靜態(tài)RAM，存在著系統(tǒng)所含有的器件多，存儲容量較小，體積相對較龐大等不足，不利于B超的小型化[4-5]。為滿足這些新的需求，本文提出了一種基于FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）和DDR SDRAM（雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器）的新型高集成度DSC設計方法。

1 已有方法介紹

現(xiàn)有DSC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)區(qū)一般包括掃描線數(shù)據(jù)存儲區(qū)、幀數(shù)據(jù)存儲區(qū)、VGA變換區(qū)以及電影回放數(shù)據(jù)區(qū)等5大部分。其中，掃描數(shù)據(jù)存儲區(qū)的功能是存儲掃描線的數(shù)據(jù)，幀數(shù)據(jù)存儲區(qū)是存儲一幀圖像數(shù)據(jù)（包括幀相關），VGA變換區(qū)是存儲顯示器顯示所需數(shù)據(jù)，電影回放數(shù)據(jù)區(qū)存儲回放電影數(shù)據(jù)。為滿足系統(tǒng)實時訪問數(shù)據(jù)的需要，此5個部分采用了多片SRAM或者RAM進行設計，并行進行數(shù)據(jù)的讀取。隨著B超系統(tǒng)的小型化進程的發(fā)展，該設計方法已不能滿足醫(yī)學發(fā)展的要求。

2 本數(shù)字掃描變換系統(tǒng)的設計方法

2.1 基本設計思想

DSC是為滿足NTSC/PAL顯示方式而設計，按照NTSC/PAL顯示特點，其每行只能顯示有限個圖像數(shù)據(jù)點，且需要按每幀的時間間隔進行更新。本設計方法只要能在NTSC/PAL格式的一行時間內實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新，即可滿足NTSC/PAL顯示要求?；诖嗽O計思想，在設計中基于NTSC/PAL格式的一行時間，邏輯上采用高速串行方式，按照“分時復用”的原則訪問DDR SDRAM，可實現(xiàn)以1片DDR SDRAM代替多片RAM/SRAM的數(shù)據(jù)存儲方式（如圖 1所示）。

圖1 分時復用訪問DDR SDRAM時序圖

圖中t1、t2、t3、t4、t5表示在NTSC/PAL格式的一行時間內，通過DDR 控制器對DDR SDRAM進行讀寫的時間段。其一行時間分配程序如下：

由于DDR SDRAM具有高速特性（總線帶寬可達300MB/s），因此上述的5大部分數(shù)據(jù)存儲區(qū)分別按照t1、t2、t3、t4、t5的時間劃分，可獲得平均60MB/s的數(shù)據(jù)帶寬進行實時數(shù)據(jù)更新，這個數(shù)據(jù)帶寬均遠遠大于現(xiàn)有的RAM/SRAM的數(shù)據(jù)訪問速度。

目前，設計中只是按照t1～t5劃分時間段，在將來使用中，如需要增加漢化功能時，可由處理器初始化時依次寫入相應的數(shù)據(jù)至DDR SDRAM的數(shù)據(jù)區(qū)中，在使用時可擴展時間段的劃分區(qū)間數(shù)目，這可進一步擴展本設計方法的應用范圍。

因此，從上述分析上來看，基于本設計方法，采用DDR SDRAM（容量可為64MB）可代替現(xiàn)有的多片RAM/SRAM進行數(shù)據(jù)存儲，具有更大容量（現(xiàn)有電影回放為256幀，本設計可達512幀）、使用方便、訪問速度快以及具有擴展功能等特點。

2.2 具體的設計流程

系統(tǒng)的DSC處理流程如圖2 所示。

圖2 DSC邏輯處理流程

（1）按照NTSC/PAL的格式產生TV時序，得到HRST（行同步信號）、VRST（場同步信號），此兩信號為DSC設計中的基準信號。對于不同格式以及不同顯示器，可以調節(jié)HRST與VRST的有效寬度。在本文中，行周期為64μs，場周期為625×64μs，可滿足800×600顯示器的要求。

（2）HRST作為控制信號分時控制經波束合成后的圖像數(shù)據(jù)進入DDR SDRAM，控制圖像插值時序、電影回放數(shù)據(jù)的讀出以及插值成幀后的數(shù)據(jù)回存等。

（3）在同一個HRST有效的情況下，數(shù)字波束合成的每一條掃查線的數(shù)據(jù)分段寫入到DDR SDRAM。后按頁方式從SDRAM讀出，掃查數(shù)據(jù)送入圖像插值部分處理。

（4）圖像插值部分對來自DDR SDRAM的掃查數(shù)據(jù)經過圖像極性反轉、灰階處理、圖像平滑處理后，讀取NAND FLASH里的插值表數(shù)值，進行NINA算法插值處理。

（5）插值后的成幀數(shù)據(jù)分成2部分，一部分存入DDR SDRAM中，另一部分數(shù)據(jù)與電影回放的數(shù)據(jù)一起由ARM/MCU進行選擇輸出，該輸出的數(shù)據(jù)實時地與ARM/CMU控制器寫入的字符（主要是一些必要標注）進行合成，后通過D/A轉換芯片，直接在CRT/液晶顯示器或專用顯示器（VGA方式）顯示。

（6）當需要B超圖像進行遠程傳輸、拷貝輸出或者基于U盤方式打印輸出時，可通過相應的網絡接口按照TCP/IP協(xié)議進行傳輸、U盤接口直接拷貝或者直接打印。在進行網絡傳輸時，系統(tǒng)通過ARM/MCU和網絡接口芯片可實現(xiàn)與數(shù)字化醫(yī)院的電子病歷系統(tǒng)進行B超圖像數(shù)據(jù)對接。

2.3 設計的關鍵點

（1）基于HRST信號數(shù)據(jù)總線時間的分配。由于系統(tǒng)必須滿足PAL/NTSC格式要求，因此，每一次HRST信號有效的時間內，對DDR SDRAM存儲器的各種不同的操作通過依次占據(jù)對應的時間段來實現(xiàn)；并要求這些不同的操作對存儲器的數(shù)據(jù)總線使用完要立即釋放，這在邏輯控制的設計中需要特別注意，否則會導致圖像或者字符出現(xiàn)抖動。

（2） DDR SDRAM的控制器核的改進設計。在本系統(tǒng)中，由于ARM/MCU對DDR SDRAM的操作需要單次突發(fā)讀寫，并且每條B超掃描數(shù)據(jù)是以縱向的方向輸入至存儲器，這也需要掃描數(shù)據(jù)線上的每一個數(shù)據(jù)單次寫入存儲器，因此對DDR SDRAM需要采用單次方式，而不能采用其余如4字或者頁方式。已有的控制器不能很好的實現(xiàn)這一點，因此需要對其進行改進。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)的總體介紹

系統(tǒng)設計的總體硬件框圖如圖3所示，按功能可劃分為4部分：數(shù)據(jù)存儲部分、FPGA圖像處理部分、微處理器控制部分以及視頻輸出部分。各個部分的功能簡介如下：

圖3 系統(tǒng)硬件設計框圖

（1）微處理器（ARM/MCU）實現(xiàn)支持U盤讀寫、打印機打印，并可通過網絡對NAND FALSH寫入B超儀顯示的一些固定字符，以及與電子病歷系統(tǒng)對接實時傳輸圖像等功能。

（2）FPGA圖像處理部分實現(xiàn)圖像處理，包括各種圖像插值算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲控制以及顯示輸出的時序控制。

（3）數(shù)據(jù)存儲部分包括大容量的DDR SDRAM和NAND FLASH，實現(xiàn)動態(tài)圖像數(shù)據(jù)存儲和固定字符數(shù)據(jù)存儲。

（4）視頻輸出部分實現(xiàn)多種視頻信號輸出。

3.2 關鍵器件的選擇

（1）FPGA的選擇。經過比較，選擇XILINX公司SPARTAN6系列中的LX45，此器件具有以下特點：① 具有豐富的BLOCK RAM資源，能滿足DSC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和處理的需求；② 具有如18×18乘法器以及48bit累加器等多個DSP（數(shù)字信號處理）硬核，能滿足系統(tǒng)實現(xiàn)各種算法的需求；③ 具有多種接口，可以直接實現(xiàn)與DDR/DDR2/DDR3存儲器訪問，方便設計的實現(xiàn)；④ 具有多個數(shù)字鎖相環(huán)，為設計中產生多個同源時鐘提供了條件。

（2）A/D以及D/A器件的選擇。A/D選擇Analog Devices公司的AD9057，此器件最高采樣速率可達80MSPS，具有高速轉換以及自帶參考電壓等特點，是專用視頻采集處理芯片，可滿足系統(tǒng)高速采集的需求。D/A選擇Analog Devices公司的AD9750，其最高轉換輸出速率為120MSPS，高SFDR（在5M時，可高達76dBc）等特點，能滿足TV視頻高頻分量不損失的要求，從而可滿足B超圖像畫面細膩的需求。

（3）ARM/MCU的選擇。器件選擇三星公司的S3C2440，其支持DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸，具有32數(shù)據(jù)總線以及多個USB接口等特點，能滿足系統(tǒng)多個外圍接口擴展的要求。

3.3 系統(tǒng)的輸出結果

（1）基于軟件ISE中的CHIPSCOPE工具，得到行、場消隱脈沖，行、場同步信號，圖像字符等信號輸出（如圖4所示）。

圖4 TV時序行、場輸出結果圖

（2）限于實驗條件，采用頻率為3.5M的凸陣探頭（96陣元）掃描人體腹部所得到的DSC結果如圖5所示。

圖5 DSC輸出結果圖

4 結束語

本文提出了一種新型、高集成度的B超數(shù)字掃描系統(tǒng)設計方法，給出了系統(tǒng)的硬件設計框圖以及相關的圖像邏輯控制設計?；贔PGA驗證了系統(tǒng)的設計，并通過實時監(jiān)測工具CHIPSCOPE獲取到系統(tǒng)的TV時序結果，最后通過顯示器得到了掃描輸出結果。結果表明，此方法可以實現(xiàn)高集成度的B超數(shù)字掃描系統(tǒng)，可滿足B超設備小型化趨勢的需求以及相關擴展應用。

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Design for High Integration Digital Scan Converter of B-scanner

TANG Qing-shan1,2,YE Qing-dong2,LI Ya-jie1
1.School of Physics and Electronic Science, Changsha University of Science and Technology，Changsha Hunan 410004,China; 2.Greatwall Information Industry Co., Ltd, Changsha Hunan 410100, China

Aiming at the requirements of B-scanner equipment miniaturization and storage capacity for scanning images, this paper presents a new design for digital scan system based on FPGA and DDR SDRAM. The Logical design process and simulation is provided. The simulation and experiment results prove that by this way the B-scanner equipment miniaturization can be achieved.

digital scan converter; FPGA；DDR SDRAM

TH776；R445.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.08.008

1674-1633(2011)08-0025-03

2011-04-08

2011-07-11

長沙市科技計劃項目（K1101005-11）資助；長沙理工大學人才引進基金項目（10xxrc004）資助；湖南省教育廳基金項目（09C080）資助；長沙理工大學重點學科建設項目(200801101)資助。

本文作者：唐清善，博士，講師。

李亞捷，副教授。

通訊作者郵箱：springyajie@126.com