用于特殊環(huán)境下成像的超聲陣列接收電路設(shè)計(jì)

樊 祥 ，楊 濤

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010；2.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川綿陽(yáng)621010）

核工業(yè)環(huán)境是最具挑戰(zhàn)性的機(jī)器人工作環(huán)境之一。在執(zhí)行核應(yīng)急處置、核廢物處理、核設(shè)施退役等操作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣。盡管在正常情況下超聲成像質(zhì)量遠(yuǎn)不及光學(xué)方法，但其在黑暗、物體透明、核輻射等特殊環(huán)境中卻有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。超聲陣列在進(jìn)行信號(hào)處理的過(guò)程中可以根據(jù)需要變換波束所面對(duì)的空間方向、抑制其他方向的干擾，同時(shí)還可以根據(jù)需要以變換不同空間位置處的信號(hào)增益[1]。驅(qū)動(dòng)電路和回波接收電路的設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵問(wèn)題，目前在超聲陣列的硬件設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)外研究人員也開(kāi)展了探索性的研究。Attarzadeh[2]等設(shè)計(jì)了一款用于與電容式微加工超聲波換能器的低功耗，低噪聲接口。Kaald[3]通過(guò)將混頻器整合到調(diào)制器前端，可以移位輸入信號(hào)的相位和頻率，從而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的轉(zhuǎn)換效率和窄帶波束成形。胡適[4]等在搭建了超聲硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行了放大濾波處理，并對(duì)回波處理和傳輸?shù)哪K進(jìn)行了仿真和功能驗(yàn)證。鄧鷹飛[5]等對(duì)接收信號(hào)的模擬濾波器進(jìn)行仿真，分析了ADC采集發(fā)生混迭的原因和整個(gè)ADC的增益動(dòng)態(tài)范圍，采用MATLAB軟件進(jìn)行抗混疊后的頻譜仿真，驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。王海濤[6]等設(shè)計(jì)了超聲發(fā)射和接收電路，并通過(guò)超聲標(biāo)準(zhǔn)試塊驗(yàn)證單通道超聲檢測(cè)電路的可行性。王瑞[7]等提出了一種基于FPGA技術(shù)和VHDL語(yǔ)言描述的8通道超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置的硬件設(shè)計(jì)方法。上述方法都存在無(wú)法進(jìn)行細(xì)粒度空間掃描、醫(yī)學(xué)高頻信號(hào)居多且多為仿真數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)。針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，楊濤[8-9]等進(jìn)行了一維、二維大陣元數(shù)目稀疏相控陣的聲場(chǎng)仿真和優(yōu)化，本文在此基礎(chǔ)上搭建了用于空氣中特殊環(huán)境下成像數(shù)據(jù)采集的超聲陣列接收電路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲回波信號(hào)是一種非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)，信號(hào)既包含了有用的信號(hào)，也耦合了大量的噪聲信號(hào)。為了減弱噪聲對(duì)后續(xù)信號(hào)處理的影響，本文先通過(guò)電阻、電容以及運(yùn)算放大器等電子器件構(gòu)成帶通濾波器和放大電路，濾除信號(hào)中頻率高于45 kHz以及低于35 kHz的部分并放大有用信號(hào)，然后將經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器離散后的信號(hào)再進(jìn)行后續(xù)的軟件處理。

在發(fā)射陣列的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，結(jié)合雙向輻射原理，可以實(shí)現(xiàn)由32路電路組成的接收陣列設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由PC機(jī)、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收陣列信號(hào)處理電路組成。在FPGA控制器的作用下產(chǎn)生信號(hào)可調(diào)的正弦波信號(hào)激勵(lì)探頭產(chǎn)生超聲波束，接收陣列信號(hào)處理電路提取反射的回波信號(hào)傳給上位機(jī)，用于空氣中特殊環(huán)境下成像的超聲陣列電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 超聲陣列電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作流程如下：發(fā)射控制器接收到主機(jī)的觸發(fā)信號(hào)之后，驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器產(chǎn)生40 kHz的正弦波激勵(lì)信號(hào)，接著發(fā)射控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下一次觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，然后接收控制器控制數(shù)據(jù)采集單元完成回波信號(hào)的調(diào)理、采樣、存儲(chǔ)以及上傳數(shù)據(jù)到主控制器，由主控制器完成成像算法，最終在PC端顯示。

2 單通道接收電路設(shè)計(jì)

單通道接收電路主要由超聲波接收換能器、前置放大電路、帶通濾波模塊、可變?cè)鲆娣糯竽K、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FIFO存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊及控制器等部分組成，文中主要敘述前面幾部分。

2.1 前置放大電路

由于聲波在傳播過(guò)程中，幅度會(huì)隨著距離的增加而減小，可通過(guò)前置放大器將超聲波換能器接收到的回波信號(hào)進(jìn)行電壓放大再將放大后的信號(hào)輸入到帶通濾波電路中。

由于超聲換能器具有比較大的輸出阻抗，故而前置放大器的輸入阻抗要比超聲波換能器的輸出阻抗大，這樣前置放大器能夠獲得與空載時(shí)超聲波換能器相近的信號(hào)電壓，從而減小了信號(hào)電壓的損失。基于阻抗方面考慮，本文采用雙運(yùn)放放大器TL082C芯片，為了使后一級(jí)的工作點(diǎn)不受前一級(jí)的影響，又能使交流信號(hào)順利地從前一級(jí)傳給后一級(jí)，在輸入端添加了耦合電容。

2.2 濾波電路

在對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行前置放大后的同時(shí)也同樣的把噪聲放大了很多倍，所以需要經(jīng)過(guò)帶通濾波電路，以消除與系統(tǒng)中心頻率不同的噪聲，該帶通濾波電路由RC阻容網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成，電路圖如圖2所示。

圖2 帶通濾波電路

電路輸出的中心頻率計(jì)算公式為：

電路通帶寬度B為：

電路通帶增益為：

通過(guò)計(jì)算和測(cè)試，驗(yàn)證了該濾波電路可以濾除信號(hào)中頻率高于45 kHz以及低于35 kHz的部分。

2.3 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/h3>

由于在帶通濾波的過(guò)程中，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)衰減，為了避免信號(hào)失真，需要對(duì)濾波后的電壓信號(hào)進(jìn)行電壓補(bǔ)償放大。濾波器后置放大電路與前置放大電路都是用于電壓放大，因此采用雙通道放大芯片TL082C的兩路相同的電路結(jié)構(gòu)，區(qū)別僅在于產(chǎn)生不同的電壓增益的元件參數(shù)不同，后置放大電路如圖3所示。

圖3 后置放大電路

該單元由運(yùn)算放大器、電位器MCP41010[10]以及電壓比較器MAX9013等3部分組成。該類(lèi)電位器具有10 kΩ、50 kΩ以及100 kΩ 3種電阻選擇，通過(guò)選擇相應(yīng)電阻，計(jì)算后可實(shí)現(xiàn)阻值的精細(xì)化調(diào)節(jié)，具體參數(shù)如下。

其中Vout為T(mén)L082C輸出端電壓，Dn為電位器MCP41010的256個(gè)抽頭中的某一個(gè)值，AB為電位器的兩端。

比較器通常用于比較一路輸入電壓和一路固定的電壓基準(zhǔn)，考慮環(huán)境溫度的變化和基準(zhǔn)源的類(lèi)型，集成基準(zhǔn)源的精度一般在1%至4%。對(duì)于精度要求較高的應(yīng)用，可以考慮選用MAX90XX系列產(chǎn)品。為便于使用，有些比較器（例如：MAX9012/MAX9013）還提供互補(bǔ)輸出，即對(duì)應(yīng)于輸入的變化，兩路變化方向相反的輸出。綜合考慮，設(shè)計(jì)選用超高速電壓比較器MAX9013芯片。

當(dāng)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)的電壓大于1 V時(shí)，MAX9013輸出3.3 V，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)D1穩(wěn)壓后直接發(fā)送給控制器的中斷端口，然后由控制器實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)節(jié)MCP41010電位器的值，直到輸出信號(hào)范圍在-1 V至+1 V之間。

2.4 調(diào)理電路

該信號(hào)調(diào)理模塊由上述可變?cè)鲆嫔龎弘娐泛拖薹娐穬刹糠纸M成。由TL082C組成的升壓電路，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器MCP41010的值，使得輸出的信號(hào)大小在ADC輸入值的范圍內(nèi)；同時(shí)，用兩個(gè)二極管構(gòu)成限幅電路，防止模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溢出和器件受到損壞，該電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

該調(diào)理電路最終輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求輸入的模擬信號(hào)電壓值為0到2 V之間。

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換

AD轉(zhuǎn)換器是單通道接收電路中另一重要模塊，經(jīng)可變?cè)鲆娣糯箅娐泛蟮男盘?hào)通過(guò)調(diào)理后，需輸入到ADC進(jìn)行采樣，然后將這些數(shù)據(jù)傳到主控制器中進(jìn)行算法處理。

考慮到AD芯片的成本，設(shè)計(jì)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9200，它是一款10位、20 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用省電模式和正常模式兩種可選單電源供電，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，可通過(guò)軟件控制時(shí)鐘引腳實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)速率20 MSPS，在省電模式下的功耗僅為5 mW，特別適合在中低功耗系統(tǒng)中使用，AD9200時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 AD9200時(shí)序圖

其中，s1，s2，s3，s4為采樣點(diǎn)，tc為采樣間隔。系統(tǒng)采用外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，經(jīng)過(guò)FPGA倍頻處理后，實(shí)現(xiàn)采樣率控制。由采樣定理可知達(dá)到采樣信號(hào)不失真的條件是采樣頻率至少大于信號(hào)頻率的2倍，在實(shí)際操作上通常取5倍以上，通過(guò)計(jì)算和對(duì)實(shí)際采樣數(shù)據(jù)處理的考慮，設(shè)計(jì)設(shè)定AD采樣頻率為1 MHz。

3 多路FIFO存儲(chǔ)模塊

FIFO是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器[11]，其作用是暫存數(shù)據(jù)，待需要時(shí)再按其原有順序輸出。為保證數(shù)據(jù)不丟失，F(xiàn)IFO的容量根據(jù)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)來(lái)確定。考慮A/D采樣頻率，接收端每路至少存儲(chǔ)4 kB的數(shù)據(jù)量，考慮到成本問(wèn)題，設(shè)計(jì)選取CY7C4245芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該芯片的讀和寫(xiě)時(shí)鐘可以是獨(dú)立的，控制器可以通過(guò)分別控制讀、寫(xiě)時(shí)鐘的頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該芯片的最高讀寫(xiě)速度可達(dá)100 MHz。

由于需要對(duì)陣列多通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，A/D采樣所得數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)送入FIFO，因此兩者的寫(xiě)時(shí)鐘頻率必須一樣，這里采用FIFO存儲(chǔ)器作為AD與主控芯片的連接，且將FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘線與A/D芯片的時(shí)鐘相連，有助于實(shí)現(xiàn)采樣后的數(shù)據(jù)快速暫存到FIFO中，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 FIFO存儲(chǔ)模塊

考慮ARM芯片在接收通道達(dá)到一定數(shù)量以后，沒(méi)有足夠的引腳控制多路FIFO工作，因此該設(shè)計(jì)采樣分時(shí)復(fù)用的工作方式，且將AD的時(shí)鐘與FIFO寫(xiě)時(shí)鐘相連可以保證數(shù)據(jù)采樣后得到及時(shí)存儲(chǔ)。每次采集數(shù)據(jù)按照順序依次讀取存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)讀取的完整性和有效性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用TDS2024B數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)采用不同發(fā)射信號(hào)的接收信號(hào)進(jìn)行分析。該示波器帶寬為200 MHz，采樣速率為 2.0 GS/s，可以記錄長(zhǎng)度為2 500個(gè)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)4通道數(shù)據(jù)輸入，并具有保存圖像和數(shù)據(jù)的功能。

首先用連續(xù)的正弦波激勵(lì)發(fā)射探頭，驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的功能。經(jīng)發(fā)射端發(fā)出的超聲波在空氣中傳播后的回波被接收探頭接收，傳感器將超聲脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，再由接收電路經(jīng)放大、濾波、調(diào)理調(diào)制后，回波信號(hào)如圖7所示。

圖7 回波信號(hào)波形

超聲在空氣中傳播的衰減導(dǎo)致回波信號(hào)到達(dá)接收探頭只有幾百毫伏左右量級(jí)，而經(jīng)過(guò)放大濾波及調(diào)理后的回波信號(hào)幅值大約有2 V，可以得知回波信號(hào)確實(shí)得到了放大。

再用一個(gè)周期內(nèi)的8個(gè)方波脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射探頭，以驗(yàn)證多路數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)。超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的多通道回波信號(hào)數(shù)據(jù)波形如圖8所示。

圖8 回波信號(hào)波形

由圖7和圖8可知接收到的信號(hào)清晰，雜波小，可以實(shí)現(xiàn)電路調(diào)理及大容量的多路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀取。電路長(zhǎng)時(shí)間工作，所用元器件均無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）文中介紹了二維超聲相控陣接收系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，然后在此基礎(chǔ)上詳細(xì)的闡述了接收端回波處理單元各部分的電路實(shí)現(xiàn)，并搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。

2）文中設(shè)計(jì)了可變?cè)鲆娣糯竽K，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同強(qiáng)弱程度的信號(hào)進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)節(jié)。

3）文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電路對(duì)毫伏級(jí)電壓的提取并有效調(diào)理了電路，且利用FIFO先進(jìn)先出存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大容量的多路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀取要求。

超聲相控陣技術(shù)根據(jù)接收控制和動(dòng)態(tài)聚焦可以對(duì)復(fù)雜形狀的幾何物體進(jìn)行可視化的成像檢測(cè)，可以看出相控陣技術(shù)有很大的發(fā)展前景[12-14]。在執(zhí)行核應(yīng)急處置、核廢物處理、黑暗等特殊環(huán)境下操作時(shí)，超聲成像有傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲陣列系統(tǒng)在未來(lái)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，超聲換能器的設(shè)計(jì)也會(huì)要求更加科學(xué)、精細(xì)[15-20]。文中對(duì)超聲換能器波接收電路進(jìn)行的設(shè)計(jì)，對(duì)用于特殊環(huán)境下的超聲相控陣成像研究具有重要意義。

[1]張小飛.陣列信號(hào)處理的理論與應(yīng)用:陣列信號(hào)處理的理論和應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2]Attarzadeh H，Ytterdal T.An in-probe low-noise low-power variable-gain receive amplifier for medical ultrasound imaging using CMUT transducers[J].Analog Integrated Circuits&Signal Processing，2017，91（1）:73-81.

[3]Kaald R，Eggen T，Ytterdal T.A 1 MHz BW 34.2 fJ/step continuous time delta sigma modulator with an integrated mixer for cardiac ultrasound[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits&Systems，2016，PP（99）:1-10.

[4]胡適基于超聲相控陣接收的設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2015.

[5]鄧鷹飛.超聲相控陣高壓發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)與仿真[D].廣州:華南理工大學(xué)，2014.

[6]王海濤，葛金鑫，楊先明.超聲相控陣檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，36（5）:19-22.

[7]王瑞，李伯全，駱英，等.基于FPGA的超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（7）:69-71.

[8]楊濤，朱閃閃，劉玉佼.陣列信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）:103-105.

[9]劉玉佼，楊濤.用于空氣中障礙檢測(cè)的超聲相控陣發(fā)射電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（19）:46-50.

[10]梅彥平，王燊.低成本低功耗超聲波熱量表的研制[J].中國(guó)儀器儀表，2012（3）:69-72.

[11]楊景常，周?chē)?guó)權(quán).先進(jìn)先出（FIF0）存儲(chǔ)器技術(shù)在高速數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2002，21（2）:20-21.

[12]馮國(guó)亮，于天暝.超聲波檢測(cè)系統(tǒng)前端電路設(shè)計(jì)[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（3）:83-87.

[13]朱金福，李暉，謝文明，等.超聲成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014（1）:52-57.

[14]楊兆飛.數(shù)字超聲系統(tǒng)接收電路改進(jìn)[J].山西電子技術(shù)，2013（2）:3-5.

[15]簡(jiǎn)盈，王躍科，潘仲明.超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路及回波接收電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（11）:31-34.

[16]李勇峰，楊錄，張艷花.基于AN7218的超聲波接收電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（8）:91-94.

[17]李享.超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路及其回波接收電路設(shè)計(jì)分析[J].科技與創(chuàng)新，2015（22）:79-80.

[18]劉志浩，陳振華，陳果，等.基于線陣列超聲相控陣三維成像的實(shí)現(xiàn)研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2016，30（3）:400-406.

[19]沈立軍.超聲相控陣收發(fā)電路設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[20]賈夢(mèng)雪，王琛，孟令杰.一種簡(jiǎn)便的超聲分散法制備碳量子點(diǎn)及表征[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30（6）:734-739.