葉先萬 劉聰鑫 胡霄 吳松和

摘要：文章自主設(shè)計了一種超聲波成像系統(tǒng)，采用超聲波激發(fā)電路發(fā)射窄脈沖信號，激勵微型電容式超聲換能器向目標(biāo)檢測物體發(fā)射超聲波信號，采用收發(fā)隔離電路接收目標(biāo)檢測物體反射回的回波信號，結(jié)合FPGA模塊對回波信號的處理，大大提高了信號處理速度，及成像效率。

關(guān)鍵詞：超聲波成像；超聲換能器；FPGA處理

隨著科技的進(jìn)步，超聲波成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于人類生活的各個領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)診斷、無損檢測、超聲顯微鏡和水下探測等多個領(lǐng)域內(nèi)均發(fā)揮著重要的作用。超聲成像系統(tǒng)的性能取決于超聲換能器、信號處理電路、圖像處理的方法和聲學(xué)封裝的技術(shù)水平。其中超聲換能器能夠發(fā)射超聲波和檢測超聲波，實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換，是超聲成像診斷設(shè)備的核心部件，所以超聲換能器的發(fā)展對提高超聲檢測技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展起著決定性的作用。但現(xiàn)有的超聲波成像裝置中大多數(shù)利用傳統(tǒng)的壓電式超聲波換能器，由于種種限制已不能滿足現(xiàn)代超聲檢測的需求?；诖?，文章利用微電容式超聲波換能器，通過回波處理電路等模塊，利用FP-GA+ARM的異構(gòu)系統(tǒng)，完成數(shù)字波束合成，解調(diào)和檢波等信號處理，最終實現(xiàn)成像。

1 總體設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)的核心控制方式采用FPGA與ARM異構(gòu)，其中選用的是Altera公司的DE2-70開發(fā)板，ARM處理芯片選用的是ST公司的STM32F系列開發(fā)板，總體結(jié)合FPGA的強大運算能力和ARM高效的處理能力，使設(shè)計系統(tǒng)具有高效的工作性能。整體設(shè)計框圖如圖1所示。

首先電源模塊的作用為給電路中各個模塊進(jìn)行供電用來保證電路持續(xù)穩(wěn)定工作。超聲波激發(fā)電路能夠產(chǎn)生尖銳的高壓脈沖信號，可以用來激勵超聲波換能器發(fā)射定向超聲波。發(fā)射出的超聲波信號與被測物體接觸后會產(chǎn)生回波反射信號，接收回波前，該信號先要經(jīng)過一個收發(fā)隔離電路用于分隔入射波與反射波，阻止高壓發(fā)射脈沖進(jìn)入回波接收電路。由于超聲系統(tǒng)成像時，經(jīng)物體反射回來的超聲波衰減嚴(yán)重，回波信號比較微弱，故需要利用一個低噪聲放大器對回波信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，增大信噪比。隨后將經(jīng)過低噪聲放大后的信號接到8位精密高速AD模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，送入FPGA作進(jìn)一步處理。利用FPGA強大的運算能力，通過其內(nèi)部相應(yīng)智能算法實現(xiàn)成像。接著，調(diào)用Altera提供IP core創(chuàng)建新的濾波器模塊，設(shè)定好參數(shù)，然后將經(jīng)過濾波處理的多路信號送入加法器中，將多路信號合成為一路。之后通過一個正交解調(diào)器，去除回波信號中的載波分量，提取信號的幅度和相位信息。FPGA與ARM控制芯片間通過HPS橋進(jìn)行連接，F(xiàn)PGA處理得到的圖像信息會傳送給ARM控制核通過其外接的LCD顯示模塊顯示出來，ARM控制核外接按鍵控制模塊，有助于接收用戶的調(diào)控操作指令，并將調(diào)控操作指令發(fā)送至STM控制模塊。

2 主要電路設(shè)計

2.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路的原理圖如圖2所示。在換能器一端施加上直流偏置，使其回復(fù)力和電場力達(dá)到平衡，同時在換能器另一端疊加交流激勵。左右兩邊直流和交流信號同時輸入，使換能器在交流激勵與直流偏置共同作用下產(chǎn)生超聲波。

2.2 收發(fā)隔離電路

收發(fā)隔離電路的原理圖如圖3所示，其理論依據(jù)主要是基于二極管限幅原理。此電路具有2個作用：對高壓輸入信號限幅，使此信號通過后續(xù)檢測電路時不會燒壞檢測芯片；將回波信號與輸入信號分離，使微弱回波信號不被高壓輸入信號淹沒。收發(fā)隔離電路隔離電容、二極管電橋、偏置網(wǎng)絡(luò)、雙向二極管組成。

2.3 低噪聲放大電路

采用AD603放大器，AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，是一個低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運放，它能夠提供精確的、可調(diào)的、能夠線性變化的增益，且在溫度和電源電壓變化時有很高的穩(wěn)定性，通常用于射頻（RF）和中頻（IF）自動增益控制（AGC）系統(tǒng)。本部分電路設(shè)計原理圖如圖4所示，經(jīng)電路仿真與實測，該電路能夠起到較為理想的放大效果。

3 設(shè)計創(chuàng)新點

該系統(tǒng)設(shè)計以現(xiàn)有的超聲成像技術(shù)和系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有的其他原理與技術(shù)，旨在設(shè)計一套更加高效且更為適用的超聲成像系統(tǒng)。文章設(shè)計的主要創(chuàng)新點有以下幾點：

（1）在數(shù)字信號進(jìn)行處理以及存儲調(diào)用采用了FP-GA與ARM異構(gòu)，實現(xiàn)使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計算單元，提高了數(shù)字信號處理的速度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整體程序設(shè)計變得簡潔。FPGA進(jìn)行計算，ARM進(jìn)行主控控制，二者結(jié)合，使主控系統(tǒng)處理能力高效、易行。

（2）在設(shè)計電路的低噪聲放大器模塊上，選用AD603程控增益放大器來放大微弱的回波信號，可以得到較為適合穩(wěn)定的回波信號。

（3）文章設(shè)計激發(fā)主電路采用窄脈沖激發(fā)方式，采用電容快速放電激發(fā)換能器發(fā)射超聲。窄脈沖發(fā)射是通過電感或電容快速放電產(chǎn)生尖銳的高壓脈沖信號來激勵超聲換能器以發(fā)射超聲，對縮小盲帶、提高探測精度具有重要意義。

4 結(jié)語

本設(shè)計以目前出現(xiàn)的超聲成像技術(shù)為指導(dǎo)，改變主控模式，以實際電路模塊設(shè)計出一款全新的超聲定向系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計效果較為穩(wěn)定，能夠從控制源頭增加成像的智能效果，具有良好的應(yīng)用前景。

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