高小明

摘要：時(shí)間增益控制器（TGC）是B超成像設(shè)備的重要部件，它對(duì)人體反饋的超聲信號(hào)進(jìn)行增益控制，補(bǔ)償超聲隨傳播距離增大而產(chǎn)生的衰減。該文依托數(shù)字B超設(shè)備的研發(fā)項(xiàng)目，完成了TGC的設(shè)計(jì)，包括整體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字B超；時(shí)間增益控制；硬件電路

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0867-03

在超聲診斷設(shè)備中，由探頭產(chǎn)生的超聲波在人體組織傳播時(shí)，由于組織對(duì)聲波的散射、吸收以及聲束自身的擴(kuò)散等因素，其能量（振幅，聲強(qiáng)等）會(huì)隨距離的增大而逐漸衰減，反射的回波信號(hào)也會(huì)逐漸減弱，這樣在縱向深度上，不同深度的同一組織器官將以不同的灰度值顯示，不能反映真實(shí)反射體的本質(zhì)。因此，必須采用時(shí)間增益控制器（TGC）補(bǔ)償超聲波在傳播過程中的衰減，本質(zhì)上就是利用一定的電壓曲線控制回波放大器的增益，實(shí)驗(yàn)表明，人體組織對(duì)超聲波的衰減呈指數(shù)規(guī)律，補(bǔ)償電壓曲線也為一條指數(shù)函數(shù)曲線。

1 方案設(shè)計(jì)

TGC以一條指數(shù)曲線進(jìn)行增益補(bǔ)償，但在實(shí)際使用中，診斷醫(yī)生醫(yī)師需要調(diào)整局部增益，以獲得更高的圖像細(xì)節(jié)來查看感興趣的部位，補(bǔ)償曲線并不是一成不變的，所以，在設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)TGC曲線后，需要根據(jù)使用情況，以該曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)節(jié)，該文采用單片機(jī)+FPGA的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

單片機(jī)片內(nèi)ROM中存儲(chǔ)TGC基礎(chǔ)曲線波形表，通過偏移量采集電路獲取用戶對(duì)該TGC的控制信息，并在基礎(chǔ)曲線上進(jìn)行重新計(jì)算更新波形表，將新的波形表通過IO口以自定義協(xié)議傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的TGC波形表存儲(chǔ)于片內(nèi)Ram，在B超掃描同步信號(hào)的作用下控制DAC完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，形成模擬電壓曲線，再通過放大器調(diào)節(jié)至壓控放大器所需要的電壓范圍。輸出曲線可以通過修改單片機(jī)內(nèi)部基礎(chǔ)曲線波形表以及調(diào)整算法修正，具有靈活性好的特點(diǎn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 TGC信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生電路主要包括FPGA部分的邏輯電路、D/A變換器、放大電路等。FPGA產(chǎn)生對(duì)D/A的控制信號(hào)，D/A輸出STC曲線，再經(jīng)過放大輸出。

系統(tǒng)要求D/A的轉(zhuǎn)換速率至少在4MHz以上，選擇TI的TLC5602，該D/A的最小轉(zhuǎn)換速率為20MHz，+5V電源供電，而且功耗極低，典型功耗為80mW，該文中D/A的參考電壓為+4.02V，其輸出電壓范圍為4V～5V，所以其電壓精度為1/256=4 mV，很好的滿足了系統(tǒng)的要求。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

由于D/A的輸出范圍為4V～5V，而所需要的STC電壓調(diào)節(jié)曲線范圍在0～2V，因此需要通過模擬電路將電壓變換到0～2V，設(shè)計(jì)將信號(hào)加上-4V后，信號(hào)范圍為0～1V，放大2倍即得到0～2V，為了提高帶負(fù)載能力，增加一級(jí)電壓跟隨器，電路如圖3所示。

2.2 偏移量采集電路設(shè)計(jì)

TGC調(diào)節(jié)有9個(gè)，即8個(gè)分段調(diào)節(jié)以及1個(gè)總體調(diào)節(jié)，8個(gè)分段調(diào)節(jié)通過滑動(dòng)變阻器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，偏移量的采集需要AD完成，該文選擇TLC5510集成A/D轉(zhuǎn)換器，AD部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

由于TLC5510是單通道采樣，而所需采集的電壓有8個(gè)通道，在此采用一個(gè)模擬開關(guān)CD4051來進(jìn)行通道選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)通道的分時(shí)采樣，該部分是模擬電路，對(duì)紋波要求比較高，需要考慮將模擬部分與數(shù)字部分隔離開來，以提高抗干擾能力。該文采取將電源和地單點(diǎn)相接的方法，用一個(gè)零歐姆電阻將模擬電源與數(shù)字電源及模擬地與數(shù)字地隔開。

由于單片機(jī)是3.3V供電，而A/D的輸出是5V的電平，控制CD4051也需要5V的電壓，因此，設(shè)計(jì)中采用了74LVC245ADR實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。74LVC245是一個(gè)可以選擇電平轉(zhuǎn)換方向的電平轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)DIR接高電平時(shí)候，是從A端的5V轉(zhuǎn)換到B端的3.3V，而當(dāng)DIR接低電平的時(shí)候，是從B端的3.3V轉(zhuǎn)換到A端的5V。

TGC的總體調(diào)節(jié)由旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)。其電路設(shè)計(jì)如圖6所示旋轉(zhuǎn)編碼器的A端接在單片機(jī)的外部中斷管腳上，EB端接單片機(jī)普通I/0，采用下降沿觸發(fā)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿的中斷，判斷B端的高低電平就可以知道是正傳或者反轉(zhuǎn)。如果為高電平則為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。

2.3 單片機(jī)與FPGA系統(tǒng)

在該TGC設(shè)計(jì)方案中，單片機(jī)和FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的處理核心，常用的單片機(jī)類型多種多樣，考慮到開發(fā)的容易和安全性能，采用加密性較強(qiáng)的STC12LE5A60S2單片機(jī)，為傳統(tǒng)8051單片機(jī)劃時(shí)代升級(jí)換代產(chǎn)品，管腳完全兼容，可以直接取代傳統(tǒng)89C51/89S51系列單片機(jī)，單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12 倍。FPGA則選用ACTEL公司IGLOO系列的AGL060，該以Flash為工藝為基礎(chǔ)功，可重編程FPGA，不需要配置芯片，上電即可運(yùn)行，低功耗，安全性高。

3 結(jié)束語

采用FPGA和單片機(jī)加外圍輔助電路相結(jié)合的方式完成數(shù)字B超TGC，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展，靈活性高的特點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)中盡可能采用集成器件具備較好的抗干擾性能，能很好滿足應(yīng)用需求。

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