引言

　　超聲醫(yī)學(xué)即利用超聲波的物理特性進(jìn)行診斷和治療的一門影像學(xué)科，其臨床應(yīng)用范圍廣泛，目前已成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。

　　本系統(tǒng)是一個(gè)便攜式軟組織超聲診斷儀的一部分，主要功能是高頻超聲信號(hào)采集。其工作機(jī)制，是在前端低頻脈沖(20Hz~10KHz)的觸發(fā)下，對(duì)由超聲換能器產(chǎn)生的高頻超聲信號(hào)(1MHz~20MHz)進(jìn)行采集，預(yù)處理，然后通過(guò)USB總線傳輸給PC機(jī)，由軟件進(jìn)行分析、處理。

　　在本設(shè)計(jì)方案中，高速CPLD芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，相比傳統(tǒng)的MCU+ADC方法，CPLD是用硬件信號(hào)而不是軟件編程來(lái)控制ADC，從而在速度上有很大的優(yōu)勢(shì)。而目前強(qiáng)大的VHDL編程語(yǔ)言也使得CPLD能很容易地實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能邏輯。數(shù)據(jù)處理部分，選用數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、處理速度高的DSP芯片作為CPU。而在與上位機(jī)通信方面，采用支持即插即用且成本也相對(duì)較低的USB接口。整體系統(tǒng)方面，各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和同步問(wèn)題是技術(shù)難點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和測(cè)試之后，采取高速存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的方案。

系統(tǒng)各組成模塊

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1，包括三個(gè)子系統(tǒng)：CPLD子系統(tǒng)，DSP子系統(tǒng)和USB子系統(tǒng)。其中，CPLD+ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，DSP則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，兩者之間通過(guò)一片高速RAM來(lái)交換數(shù)據(jù)；USB芯片(AN2131Q)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過(guò)USB線上傳給主機(jī)，它和DSP之間通過(guò)一片鎖存器進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(CPLD子系統(tǒng))

　　該子系統(tǒng)主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所組成。

　　由于要采集的超聲信號(hào)頻率為20M，根據(jù)Nyquist定律，采樣頻率應(yīng)該在40MHz以上，為了提高精度，系統(tǒng)采用了ADI公司的AD9283芯片。該芯片工作頻率為100MHz，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可很好地滿足系統(tǒng)帶寬要求。

　　以往的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，下位機(jī)部分ADC-RAM模塊往往采用MCU作為CPU來(lái)控制，因此，采集頻率直接受到MCU速度的制約，而且和RAM存儲(chǔ)器的同步也成為問(wèn)題。經(jīng)過(guò)比較，本系統(tǒng)采用Altera公司的CPLD芯片來(lái)控制ADC和RAM，從而很好地解決了時(shí)序精度和同步的問(wèn)題。

　　CPLD作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)的功能邏輯為：

　　● 接到DSP觸發(fā)信號(hào)(START)之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的控制，發(fā)出一個(gè)Start信號(hào)，ADC開(kāi)始采樣工作；

　　● 與ADC控制信號(hào)同步提供RAM地址計(jì)數(shù)器(A0~A16)和寫信號(hào)(/WE)，使得每次ADC的結(jié)果直接存入RAM并且自動(dòng)增加地址；

　　● 當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器達(dá)到的時(shí)候,發(fā)出中斷信號(hào)(RAM_FULL)，提示DSP系統(tǒng)RAM已滿；

　　CPLD的功能邏輯用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，其編譯、仿真和綜合采用Altera官方主頁(yè)提供的MAXPLUXII Student10.1版，下載電纜自制。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(DSP子系統(tǒng))

　　由于系統(tǒng)在后期升級(jí)中，要求對(duì)下位機(jī)部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行較為復(fù)雜的預(yù)處理，同時(shí)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面要求較高。因此選用TI公司的TMS320C5409作為數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的CPU。

　　DSP子系統(tǒng)的主要工作流程為：

　　1)接到Trigger(由前端換能模塊發(fā)出)中斷(INT0)觸發(fā)后，拉高START信號(hào)通知信號(hào)采集模塊開(kāi)始工作,然后進(jìn)入等待；

　　2)接到RAM_FULL中斷(INT1)之后，知道RAM已經(jīng)寫滿，首先將START信號(hào)拉低停止CPLD和ADC。然后開(kāi)始逐個(gè)讀RAM中的數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)要求做相應(yīng)處理，之后借助鎖存器發(fā)給AN2131Q；

　　3)在本系統(tǒng)中，DSP軟件部分的幾個(gè)函數(shù)體包括：主循環(huán)；int0中斷(前端觸發(fā))；int1中斷(RAM已滿)。

通信接口子系統(tǒng)(USB子系統(tǒng))

　　該子系統(tǒng)完成的功能，就是通過(guò)鎖存器接收DSP發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)自身的USB控制器發(fā)往HOST。

　　采用Cypress公司的AN2131Q作為USB通信芯片。該芯片的主要特性為：

　　● 改進(jìn)的8051內(nèi)核。性能可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)8051的5~10倍，與標(biāo)準(zhǔn)8051的指令完全兼容；

　　● 高度集成。傳統(tǒng)USB外設(shè)的硬件設(shè)計(jì)通常包括非易失性存儲(chǔ)器(如EPROM、EEPROM、FLASH 、ROM)、微處理器、RAM、SIE(串行接口引擎)和DMA等。EZ-USB將上述多個(gè)模塊集成在一個(gè)芯片中，從而減少了各芯片接口部分時(shí)序配合時(shí)的麻煩；

　　● USB內(nèi)核。AN2131Q可以代替USB外設(shè)開(kāi)發(fā)者完成USB協(xié)議中規(guī)定的80%~90%的通信工作，使得開(kāi)發(fā)者不需要深入了解USB的低級(jí)協(xié)議即可順利地開(kāi)發(fā)出所需要的USB外設(shè)；

　　● Cypress公司的EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。這種設(shè)計(jì)不受端點(diǎn)數(shù)目、緩沖區(qū)大小及傳輸速度的限制;

　　● 軟配置。外設(shè)未通過(guò)USB接口連接到PC機(jī)之前，外設(shè)上的固件存儲(chǔ)在PC上；一旦外設(shè)接到PC機(jī)上，PC讀取設(shè)備描述符，然后將該外設(shè)的固件下載到EZ-USB的RAM中并執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程叫做再枚舉。這種基于RAM的軟配置方法，可以允許無(wú)限的配置和升級(jí)。

　　● 易用的軟件開(kāi)發(fā)工具。固件可獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)程序被測(cè)試。驅(qū)動(dòng)程序和固件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試相互獨(dú)立，可加快開(kāi)發(fā)的速度。

　　AN2131Q屬于Cypress公司EZ-USB系列，其驅(qū)動(dòng)在Cypress公司提供的例程中略加改動(dòng)即可使用，簡(jiǎn)單可靠，編輯、編譯工具為Microsoft的VC++6.0和98DDK，調(diào)試工具采用SOFTICE。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樯蠈討?yīng)用程序提供了很多API接口。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與處理子系統(tǒng)的通信與同步

　　本系統(tǒng)有采樣速率快，數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。本系統(tǒng)中，8位ADC的采樣頻率為100MHz，采樣寬度為每次20ms，那么每次采樣得到數(shù)據(jù)為100MHz*20ms=2KB；Trigger信號(hào)脈沖寬度采用50ms，由此可計(jì)算出每幀數(shù)據(jù)量為2KB * 50ms * 10KHz = 1M。數(shù)據(jù)處理采用的DSP芯片滿足這個(gè)速率要求，但是還要通過(guò)USB把數(shù)據(jù)傳向主機(jī)，而系統(tǒng)采用的AN2131Q為USB1.1協(xié)議芯片，經(jīng)過(guò)測(cè)算其達(dá)不到理論的1Mb/s，因此，兩個(gè)子系統(tǒng)之間必須通過(guò)緩沖器進(jìn)行通信。目前常用的多處理器間通信方法有三種：雙口RAM；高速FIFO；總線開(kāi)關(guān)加存儲(chǔ)器。

　　其中前兩者相對(duì)簡(jiǎn)單，容易控制，但是由于目前雙口RAM和FIFO的速率和容量都達(dá)不到本系統(tǒng)的要求，因此終選用一種方法，即高速RAM加總線開(kāi)關(guān)的方法，由CPLD系統(tǒng)和DSP分時(shí)訪問(wèn)RAM。CPLD在START電平變低之后，地址線輸出高阻，此時(shí)ADC的數(shù)據(jù)輸出也是高阻，此時(shí)DSP才開(kāi)始從RAM讀數(shù)據(jù)，這一邏輯保證了不會(huì)發(fā)生總線沖突。

高速DSP系統(tǒng)與AN2131Q的通信控制

　　通過(guò)一片數(shù)據(jù)鎖存器作為緩沖器，利用TMS320C5409的XF和BIO引腳和AN2131Q的兩個(gè)IO口作為握手引腳；同時(shí)，DSP利用中斷來(lái)管理數(shù)據(jù)傳輸；AN2131Q則通過(guò)輪循來(lái)管理數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)整體調(diào)試

　　由于要采集的信號(hào)頻率較高，因此，電路板的抗高頻干擾問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)測(cè)試，高頻信號(hào)在系統(tǒng)中沒(méi)有產(chǎn)生影響系統(tǒng)整體性能的干擾。用HP信號(hào)發(fā)生器分別產(chǎn)生500KHz、5MHz、10MHz、20MHz的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，DSP子系統(tǒng)暫時(shí)沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理而是原樣不動(dòng)的發(fā)給USB通信芯片(信號(hào)處理函數(shù)暫時(shí)設(shè)為空參數(shù))。在應(yīng)用程序中，上層軟件利用多線程處理技術(shù)，把采集到的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)等，系統(tǒng)達(dá)到了令人滿意的實(shí)時(shí)性。