基于FPGA的超聲波成像系統設計

葉先萬 劉聰鑫 胡霄 吳松和

摘要：文章自主設計了一種超聲波成像系統，采用超聲波激發電路發射窄脈沖信號，激勵微型電容式超聲換能器向目標檢測物體發射超聲波信號，采用收發隔離電路接收目標檢測物體反射回的回波信號，結合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。

關鍵詞：超聲波成像；超聲換能器；FPGA處理

隨著科技的進步，超聲波成像技術廣泛應用于人類生活的各個領域，在醫學診斷、無損檢測、超聲顯微鏡和水下探測等多個領域內均發揮著重要的作用。超聲成像系統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封裝的技術水平。其中超聲換能器能夠發射超聲波和檢測超聲波，實現電聲轉換和聲電轉換，是超聲成像診斷設備的核心部件，所以超聲換能器的發展對提高超聲檢測技術和設備的發展起著決定性的作用。但現有的超聲波成像裝置中大多數利用傳統的壓電式超聲波換能器，由于種種限制已不能滿足現代超聲檢測的需求。基于此，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的異構系統，完成數字波束合成，解調和檢波等信號處理，最終實現成像。

1 總體設計

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

首先電源模塊的作用為給電路中各個模塊進行供電用來保證電路持續穩定工作。超聲波激發電路能夠產生尖銳的高壓脈沖信號，可以用來激勵超聲波換能器發射定向超聲波。發射出的超聲波信號與被測物體接觸后會產生回波反射信號，接收回波前，該信號先要經過一個收發隔離電路用于分隔入射波與反射波，阻止高壓發射脈沖進入回波接收電路。由于超聲系統成像時，經物體反射回來的超聲波衰減嚴重，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行適當的放大，增大信噪比。隨后將經過低噪聲放大后的信號接到8位精密高速AD模塊，將模擬信號轉變為數字信號，送入FPGA作進一步處理。利用FPGA強大的運算能力，通過其內部相應智能算法實現成像。接著，調用Altera提供IP core創建新的濾波器模塊，設定好參數，然后將經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橋進行連接，FPGA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控操作指令，并將調控操作指令發送至STM控制模塊。

2 主要電路設計

2.1 發射電路

發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，使其回復力和電場力達到平衡，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生超聲波。

2.2 收發隔離電路

收發隔離電路的原理圖如圖3所示，其理論依據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。收發隔離電路隔離電容、二極管電橋、偏置網絡、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整功能的芯片，是一個低噪、90MHz帶寬增益可調的集成運放，它能夠提供精確的、可調的、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定性，通常用于射頻（RF）和中頻（IF）自動增益控制（AGC）系統。本部分電路設計原理圖如圖4所示，經電路仿真與實測，該電路能夠起到較為理想的放大效果。

3 設計創新點

該系統設計以現有的超聲成像技術和系統為基礎，結合現有的其他原理與技術，旨在設計一套更加高效且更為適用的超聲成像系統。文章設計的主要創新點有以下幾點：

（1）在數字信號進行處理以及存儲調用采用了FP-GA與ARM異構，實現使用不同類型指令集和體系架構的計算單元，提高了數字信號處理的速度以及系統的穩定性，使整體程序設計變得簡潔。FPGA進行計算，ARM進行主控控制，二者結合，使主控系統處理能力高效、易行。

（2）在設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定的回波信號。

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

4 結語

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

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