梅茹 盧歡 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

電機驅(qū)動器A3983在實時三維超聲成像系統(tǒng)中的應用

梅茹 盧歡 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

本文從A3983工作原理、硬件設(shè)計以及三維超聲圖像軟件設(shè)計等方面，介紹了電機驅(qū)動芯片A3983在實時三維超聲成像系統(tǒng)中的應用方法。

A3983 三維超聲圖像 電機驅(qū)動

近年來，隨著科技的不斷進步，三維超聲成像技術(shù)越來越廣泛的應用在臨床診斷中。三維超聲成像又分為靜態(tài)三維成像和動態(tài)三維成像。動態(tài)三維成像是在靜態(tài)三維成像的基礎(chǔ)上加入時間維度參數(shù)，用整體顯像法重建感興趣區(qū)域準實時活動的三維圖像，又稱為實時三維成像或四維成像。實時三維成像提供多領(lǐng)域多方面的應用，它能顯示人體內(nèi)臟器官特別是胎兒的實時活動圖像，這使得醫(yī)生能夠根據(jù)人體器官或胎兒的運動情況來更精準地發(fā)現(xiàn)各種異常，增加了診斷的準確性。

1.系統(tǒng)設(shè)計簡介

為了得到實時的三維超聲圖像，本設(shè)計采用機械容積探頭來獲取被測體的三維超聲體數(shù)據(jù)，得到的三維超聲體數(shù)據(jù)經(jīng)過超聲硬件模塊的預處理送給計算機，最終在計算機中通過相關(guān)計算將采集到的三維超聲體數(shù)據(jù)重構(gòu)成實時的三維超聲圖像。圖1為系統(tǒng)框圖。

機械容積探頭是在探頭內(nèi)部增加了步進電機和傳動裝置，通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動來使探頭芯部產(chǎn)生平移、擺動和旋轉(zhuǎn)的動作，從而采集到被測體的三維超聲體數(shù)據(jù)。

本設(shè)計采用電機驅(qū)動器A3983配合FPGA的驅(qū)動邏輯代碼，來實現(xiàn)控制探頭中步進電機運動的功能。超聲回波信號經(jīng)過FGPA預處理后，通過PCIe總線送給計算機，在計算機中經(jīng)過相應的圖像處理最終得到三維立體成像。

圖1. 系統(tǒng)框圖

2.A3983工作原理[1]

A3983是一款易于操作的具有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的微電機驅(qū)動器。它可以以全步、半步、四分之一步和八分之一步的步進模式來驅(qū)動雙極步進電機，其輸出驅(qū)動能力可以高達電壓35伏、電流正負2安。圖2是A3983的原理框圖。

A3983的使用方法非常簡單，有STEP（步進）、DIR（方向）兩條輸入線輸入，從STEP每輸入一個脈沖就完成一個步進，輸出的電機驅(qū)動信號由場效應管組成的雙全橋完成。在兩個全橋輸出和所有的場效應管中，電流由固定關(guān)斷時間PWM控制電路調(diào)整。每一次步進時，每個全橋的電流由外部電流檢測電阻（RS1和RS2）、參考電壓（VREF）和DAC輸出電壓決定。

在上電或復位時，脈沖分配器設(shè)定DAC和相電流的極性為初始狀態(tài)，同時設(shè)定兩相電流調(diào)整器的模式為混合衰減模式。當STEP引腳有步進指令時，脈沖分配器自動將DAC轉(zhuǎn)到下一個電平。微步模式由MS1和MS2兩個輸入腳的組合形式?jīng)Q定。

圖2. A3983原理框圖

當進行步進時，如果DAC新的輸出電平比其前一個輸出電平低，則當前活動的全橋上電流衰減模式會被設(shè)為混合模式。如果DAC新的輸出電平比其前一個輸出電平高，則當前活動的全橋上電流衰減模式會被設(shè)為慢速。這種電流衰減模式的自動選擇可以減少由于電機反電動勢引起的電流波形扭曲，從而可以改善性能。

3.硬件設(shè)計

3.1 A3983硬件電路

本設(shè)計中，通過FPGA的普通IO腳與A3983各控制引腳連接。A3983模塊的電路原理圖如圖3所示。

FPGA通過七條控制信號與A3983連接，通過控制這些信號的高低電平來實現(xiàn)對機械容積探頭內(nèi)電機的控制。各控制信號定義如下：

RESET：復位信號。該信號有效時，脈沖分配器被復位到初始狀態(tài)，同時關(guān)斷所有的場效應管輸出。

STEP：步進信號。每個上升沿可以使電機前進一個增量，這個前進的增量大小由MS1和 MS2兩個控制引腳決定。

表1. 步進模式真值表

DIR：方向控制信號。該信號控制電機轉(zhuǎn)動方向。

MS1、MS2：步進模式信號。根據(jù)兩個信號的不同組合，可以選擇不同的步進模式，其組合形式對應的步進模式如表1所示。

ENABLE：場效應管輸出使能信號。

SLEEP：休眠模式信號。該信號有效時芯片進入休眠模式，減少功耗。

除了以上幾條控制信號外，還需要根據(jù)電機的型號設(shè)置SENSE1和SENSE2引腳上所接限流電阻RS1和RS2的阻值。參考電壓VREF、輸出的最大電流IMAX以及限流電阻RS的關(guān)系可以由公式(1)獲得：

圖3. A3983電路原理圖

在本設(shè)計中，驅(qū)動電壓采用15V，根據(jù)電路中R2和R3的阻值可以算出參考電壓VREF的電壓值約為3.8V，RS1和RS2的阻值分別為1Ω，則根據(jù)公式（1）可以算出最大電流為0.475A。

在電路設(shè)計時，需要在CP1和CP2引腳之間以及VCP和VBB引腳之間各連接一個0.1μF的陶瓷電容，以便于在CP1和CP2引腳產(chǎn)生高于VBB的門電平時來作為驅(qū)動DMOS柵極電源的蓄能器。另外，VREG引腳上的電壓是由A3983內(nèi)部產(chǎn)生的，該電壓用于DMOS漏極輸出，需要在該引腳上加一個對地的0.22μF的去耦電容。

3.2 FPGA邏輯設(shè)計

本設(shè)計中，電機控制和圖像預處理FPGA采用Xilinx公司的XC6SLX100芯片。該芯片主要完成對A3983芯片的控制邏輯以及超聲回波信號的預處理功能。

對被測體進行超聲檢測時，我們可以將待檢測的部分看做是一個由多個切面組成的三維體，每個切面可以得到一幅超聲圖像，連續(xù)不斷的依次對這些切面進行超聲檢測，最終根據(jù)一定的方法就能重構(gòu)成實時的三維體圖像。

本設(shè)計中，我們通過FPGA控制A3983的各輸入引腳，使得A3983輸出步進脈沖。通過控制A3983不同的步進模式和步進方向，就能控制機械容積探頭中的電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而可以帶動探頭不斷的擺動。探頭擺動時，就會對被測體多個連續(xù)的切面進行超聲檢測并得到多個切面的超聲圖像，由這些切面的超聲圖像就可以重構(gòu)成被測體的實時三維超聲圖像。

圖4是FPGA中對A3983的控制流程圖。初始狀態(tài)時，A3983處于休眠模式，當進入三維超聲檢測模式時，根據(jù)軟件提供的參數(shù)來判斷是對容積探頭中的電機進行復位還是開始正常的三維體掃描。

為了使探頭擺動，需要控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。在進行正常的三維超聲掃描時，首先要設(shè)置A3983的方向控制引腳和步進模式來控制電機正轉(zhuǎn)。當完成一個三維體掃描后，再通過設(shè)置A3983的方向控制引腳使電機反轉(zhuǎn)來逆向完成一個三維體的掃描?？刂齐姍C使其不斷的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，就可以使探頭不斷的進行擺動，從而可以得到連續(xù)的三維超聲體數(shù)據(jù)。

圖4. A3983邏輯控制流程

當對三維體掃描完成后，需要通過復位操作控制探頭中的電機按一定的方式運動，最終使探頭停留在某個特定的位置上。

采集到的三維體超聲數(shù)據(jù)經(jīng)過波束合成、動態(tài)濾波、對數(shù)變換等一系列圖像預處理操作，最終通過PCIe總線接口送給計算機。

4.軟件設(shè)計

由硬件送給計算機的三維超聲體數(shù)據(jù)需要通過軟件運算的方法將其重構(gòu)成一個三維體進行顯示。

重構(gòu)三維體的方法主要有面繪制和體繪制兩大類，面繪制是通過幾何單元拼接擬合物體表面來描述三維結(jié)構(gòu)，而體繪制是直接將體素投影到顯示平面上。本設(shè)計采用體繪制的方法實現(xiàn)三維超聲圖像的顯示。

在進行體繪制時，首先對硬件送來的原始三維超聲體數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，剔除冗余數(shù)據(jù)后得到所需的體圖像數(shù)據(jù)，然后將反映同一物質(zhì)的采樣數(shù)據(jù)點歸類并對采樣點進行賦值，此后再對體數(shù)據(jù)進行三維坐標變換及重采樣，最后利用光線投射法將合成的圖像顯示在屏幕上。圖5是利用體繪制法最終得到的兩幅胎兒三維超聲圖像。

The Application of Motor Driver A3983 in Real-Time 3D Ultrasonic Imaging System

MEI Ru LU Huan LI De-lai Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co., Ltd., (Shantou 515041)

In this article, the application of motor driver A3983 in real-time 3D Ultrasonic imaging system is introduced from the operational principle of A3983, the design of hardware circuit and 3D ultrasound image software design.

A3983, 3D ultrasound image, motor drive

1006-6586(2016)06-0044-04

TH776

A

2016-03-24