劉帥帥，彭虎

(合肥工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，合肥 230009)

1 引 言

超聲檢測(cè)因其高靈敏、無損傷、方向性強(qiáng)以及操作簡(jiǎn)單、適用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用[1-6]。超聲多普勒胎心監(jiān)護(hù)[7-12]和超聲多普勒血流速度測(cè)量[13-14]是該技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的典型應(yīng)用。根據(jù)多普勒原理，超聲波照射在運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)，回波信號(hào)中會(huì)攜帶有運(yùn)動(dòng)物體的狀態(tài)信息。因此，從多普勒回波信號(hào)中提取出物體運(yùn)動(dòng)的頻移信號(hào)后，便可通過數(shù)據(jù)處理得到物體的運(yùn)動(dòng)信息。

目前，對(duì)超聲多普勒頻移信號(hào)的獲取多采用正交解調(diào)的方法[15-17]。正交解調(diào)需要兩路在性能上完全一致的模擬乘法器，以及兩路同頻、等幅、相位相差90度的載波信號(hào)，否則將嚴(yán)重影響多普勒信號(hào)的提取，降低測(cè)量精度[13]。正交解調(diào)電路復(fù)雜度高[18]，且需要對(duì)兩路輸出信號(hào)同時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，增加了AD轉(zhuǎn)換的開銷和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量[19]。正交解調(diào)芯片如AD8333、AD8347[20]等價(jià)格昂貴，對(duì)外圍電路要求高，因此，一塊完整的正交解調(diào)模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。為克服正交解調(diào)的不足，本研究提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、數(shù)據(jù)量小、成本低廉的單通道乘法器電路，并在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的多普勒信號(hào)模擬裝置[21]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲多普勒回波信號(hào)中攜帶著運(yùn)動(dòng)物體的狀態(tài)信息，為得到目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行前置放大、解調(diào)、低通濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、DSP等流程處理。

2.1 前置放大電路

超聲換能器接收到的超聲多普勒回波信號(hào)幅度較小，一般只有毫伏級(jí)別[22]。因此，在將信號(hào)送入乘法器解調(diào)之前，需要先經(jīng)過前置放大器進(jìn)行幅度放大。本研究設(shè)計(jì)的前置放大電路見圖1。

設(shè)計(jì)采用AD9631芯片對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，該芯片具有出色的噪聲性能和寬帶范圍，能夠在接收周期內(nèi)保持極低的失真。超聲多普勒回波信號(hào)是典型的窄帶信號(hào)，為減少干擾，在放大器的輸入端設(shè)置了帶通濾波器。同時(shí)，為了提高放大器模塊的輸入阻抗，減小后續(xù)電路對(duì)放大器的影響，采用同相放大器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行101倍放大。

圖1 前置放大電路

2.2 單通道乘法器

超聲換能器接收到的回波信號(hào)中包含多種成分的反射波，解調(diào)的目的是從復(fù)雜的回波信號(hào)中提取出多普勒頻移信號(hào)。本研究提出的單通道乘法器電路基本原理，見圖2。

圖2 單通道乘法器框圖

單通道乘法器的一路輸入為經(jīng)前置放大器放大后，頻率為f0+fd的超聲多普勒回波信號(hào)；另一路則是頻率為f1的簡(jiǎn)單正弦波。f0，f1滿足如下關(guān)系：

f1>f0+|fdmax|

(1)

其中f0為發(fā)射信號(hào)頻率，fd為多普勒頻偏，fdmax為最大多普勒頻偏。上述關(guān)系使得解調(diào)得到的頻移信號(hào)的頻率全部落在正頻率范圍內(nèi)。

單通道乘法器采用AD835模擬乘法器作為主要芯片。AD835是一款單片250 M相電壓輸出的模擬乘法器[23-25]。其高輸入阻抗可以使信號(hào)源的負(fù)載忽略不計(jì)，極低的輸出阻抗可以使芯片驅(qū)動(dòng)低至25 Ω的負(fù)載。AD835的功能框圖見圖3。

圖3 AD835功能框圖

AD835乘法器的兩路差分輸入X1、X2和Y1、Y2，結(jié)構(gòu)完全獨(dú)立、功能完全一致。該芯片提供了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)求和功能的輸入端Z，用于為輸入端和輸出端提供獨(dú)立的接地參考。同時(shí)，AD835可以作為一個(gè)電壓放大器工作，AD835的輸出與輸入關(guān)系見式(2)。

(2)

其中W為AD835的輸出端，U為電壓范圍調(diào)節(jié)因子，其值一般為1.05。為使得AD835的輸出和輸入滿足W=XY，在W端、Z端、地之間引入電阻R2、R3、C6，見圖4。電阻R2、R3主要用來設(shè)置分壓，電容C6主要是起到隔直的作用。

目前我國(guó)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)一般通過RS232或485接口與上位機(jī)通信,采用電纜線的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,存在電路連接復(fù)雜,線纜安裝捆扎費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn),并且在車輛運(yùn)行過程中容易發(fā)生斷線損壞,降低檢測(cè)的可靠性[1]。另一方面,鐵路的不斷提速與發(fā)展,傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足控制精度、傳輸速度以及實(shí)時(shí)性方面的要求。

則式(2)可以改寫為：

(3)

其中，Z′為通過電阻R3輸入到乘法器4號(hào)引腳Z的電壓。

將式(3)整理得到：

(4)

由于R3接地且U的值為1.05，設(shè)置R2與R3的阻值比為20：1，即可使AD835乘法器實(shí)現(xiàn)W=XY的功能。電路中設(shè)置R2為2 KΩ，R3為100 Ω。

圖4 AD835乘法器電路

圖4電路中X為回波信號(hào)，Y為參考信號(hào)。

X(t)=asin[2π(f0+fd)t+φ0]

(5)

Y(t)=bsin(2πf1t+φ1)

(6)

(7)

本電路中設(shè)置f1-f0=40 k。一般人體各器官運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻偏都在1 kHz以內(nèi)，因此，輸出信號(hào)經(jīng)過50 k的低通濾波器即可得到多普勒頻移信號(hào)。

2.3 AD采樣

USB3200數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由ADC模塊、PFI復(fù)用功能控制模塊、FPGA控制模塊、USB設(shè)備器件組成，系統(tǒng)框圖見圖5。

圖5 USB3200系統(tǒng)框圖

2.4 電路測(cè)試

為驗(yàn)證本研究單通道乘法器電路的有效性，采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路信號(hào)，分別作為單通道乘法器的回波和參考信號(hào)輸入，并將解調(diào)、濾波后的信號(hào)接入示波器進(jìn)行顯示。其中，回波輸入為峰峰值10 mV、頻率2.5 MHz的正弦波；參考信號(hào)輸入為峰峰值5 V、頻率2.54 MHz的正弦波。輸入信號(hào)及輸出信號(hào)波形見圖6。

圖6 電路測(cè)試結(jié)果：經(jīng)低通濾波器濾波后的輸出信號(hào)

為驗(yàn)證USB3200的準(zhǔn)確性，利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，并通過USB3200數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，利用MATLAB作頻譜分析。分析結(jié)果見表1。

表1 AD測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在理想信號(hào)輸入情況下，單通道乘法器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的放大、解調(diào)、低通濾波等功能，完成對(duì)頻移信號(hào)的提取。SUB3200采集卡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。

3 結(jié)果分析

為進(jìn)一步測(cè)試單通道乘法電路對(duì)真實(shí)回波信號(hào)的解調(diào)能力。按照文獻(xiàn)[21]搭建多普勒信號(hào)模擬裝置,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

多普勒信號(hào)模擬裝置主要由STM32F407開發(fā)板、TB6600電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、水槽、直桿和金屬球組成。

多普勒信號(hào)模擬裝置的核心為STM32F407開發(fā)板，通過編寫程序使開發(fā)板產(chǎn)生指定頻率的PWM波，即可控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂破骱碗姍C(jī)驅(qū)動(dòng)在連接上有共陽極和共陰極兩種方式，本研究采用共陽極的方式，具體連接見表2。

表2 控制器與驅(qū)動(dòng)器連接方式

PUL為脈沖輸入接口，用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。驅(qū)動(dòng)器將控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，控制器端口GPIOF10每產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)PUL，就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，然后通過直桿將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為垂直位移。

DIR為方向接入口，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，電機(jī)將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。通過設(shè)置GPIOF9輸出一定頻率的PWM波，即可帶動(dòng)連接在電機(jī)上的金屬球做相同周期的上下振動(dòng)。

完全浸入在水中的金屬球用來模擬運(yùn)動(dòng)物體，見圖7。金屬球上方的兩個(gè)超聲換能器分別負(fù)責(zé)超聲波束的發(fā)射和接收。

圖7 多普勒信號(hào)模擬裝置示意圖

3.2 測(cè)量原理

根據(jù)多普勒原理，當(dāng)聲波波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量到的頻率較波源實(shí)際發(fā)出的頻率會(huì)有一定的變化，測(cè)量頻率與實(shí)際發(fā)射頻率之間的差值為多普勒頻移fd，其值滿足式(8):

(8)

其中f0為發(fā)射信號(hào)頻率，c為超聲在水中的傳播速度，v為物體運(yùn)動(dòng)速度，θ1為物體運(yùn)動(dòng)方向與入射聲波間的夾角，θ2為物體運(yùn)動(dòng)方向與反射波間的夾角。根據(jù)式(7)，法器解調(diào)得到的低頻信號(hào)的頻率f為:

f=f1-f0-fd

(9)

多普勒信號(hào)模擬裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以近似看作為變速的周期信號(hào)。因此，解調(diào)得到的多普勒頻偏信號(hào)的頻率f將會(huì)限制在一個(gè)窄帶范圍內(nèi):

f1-f0-|fdmax|≤f≤f1-f0+|fdmax|

(10)

式(9)、式(10)中f1為乘法器的另一路輸入信號(hào)頻率，fdmax為最大多普勒頻移，且

f1-f0=40 k

(11)

則最終所求的多普勒頻移為：

fd=40 k-f

(12)

設(shè)置多普勒信號(hào)模擬裝置以不同的頻率和速度振動(dòng)，將單通道乘法器的輸出結(jié)果利用SUB3200采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并利用MATLAB進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果見圖8、圖9，并根據(jù)式(8)得表3。

表3 多普勒信號(hào)模擬裝置以不同頻率、速度振動(dòng)時(shí)的多普勒頻移

圖8 多普勒信號(hào)模擬裝置靜止時(shí)多普勒頻移信號(hào)頻譜

圖9 多普勒信號(hào)模擬裝置以2.5 Hz的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)多普勒頻移信號(hào)頻譜

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的單通道乘法器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、數(shù)據(jù)量小、成本低廉。為驗(yàn)證其有效性，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的多普勒信號(hào)模擬裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并采用USB3200數(shù)據(jù)采集卡對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果顯示，當(dāng)模擬裝置以不同的速度和頻率運(yùn)動(dòng)時(shí)，解調(diào)得到的多普勒頻移信號(hào)的頻率限制在一定的頻帶范圍內(nèi)，經(jīng)變換后，頻移信號(hào)的頻帶關(guān)于零頻近似對(duì)稱，且信號(hào)模擬裝置速度越快頻帶越寬，符合多普勒效應(yīng)的原理。不同振動(dòng)頻率下求解得到的物體運(yùn)動(dòng)速度并未與振動(dòng)頻率嚴(yán)格地成比例關(guān)系，與理論值有一定的誤差。這是因?yàn)榻饘偾蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)是變速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到水的阻礙，速度越快，阻礙越大。因此，測(cè)量值較理論值偏小，但在誤差允許范圍內(nèi)。結(jié)果證明，本研究的單通道乘法器電路可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲多普勒回波信號(hào)的解調(diào)。