一种新型B超数字扫描变换系统的设计方法

唐清善，叶庆东，李亚捷

1.长沙理工大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410004；2.湖南长城信息产业股份有限公司，湖南 长沙410100

一种新型B超数字扫描变换系统的设计方法

唐清善1,2，叶庆东2，李亚捷1

1.长沙理工大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410004；2.湖南长城信息产业股份有限公司，湖南 长沙410100

针对B超设备小型化以及扫描图像存储容量大的要求，本文提出了一种基于FPGA和DDR SDRAM结构的新型的数字扫描系统的设计方法；介绍了相应的逻辑设计流程和系统实现的关键技术。仿真结果和实验结果表明，该系统为实现B超的小型化需求提供了途径。

B超仪；数字扫描变换系统；现场可编辑逻辑阵列；双倍速率同步动态随机存储器

数字扫描变换系统（DSC）是B超系统中重要的电路组成部分，主要实现B超图像变换输出、多帧存储、冻结放大，以及键盘控制等功能。随着技术的进步和医学要求的提高，对DSC部分提出了一些新的需求，如实现B超系统小型化、与数字化医院的电子病历系统对接、直接支持VGA显示和液晶面板显示以及支持打印机和U盘存储、读取等多种功能[1-3]。而现有的DSC设计方式一般是采用多片ROM和静态RAM，存在着系统所含有的器件多，存储容量较小，体积相对较庞大等不足，不利于B超的小型化[4-5]。为满足这些新的需求，本文提出了一种基于FPGA（现场可编程逻辑阵列）和DDR SDRAM（双倍速率同步动态随机存储器）的新型高集成度DSC设计方法。

1 已有方法介绍

现有DSC系统的数据区一般包括扫描线数据存储区、帧数据存储区、VGA变换区以及电影回放数据区等5大部分。其中，扫描数据存储区的功能是存储扫描线的数据，帧数据存储区是存储一帧图像数据（包括帧相关），VGA变换区是存储显示器显示所需数据，电影回放数据区存储回放电影数据。为满足系统实时访问数据的需要，此5个部分采用了多片SRAM或者RAM进行设计，并行进行数据的读取。随着B超系统的小型化进程的发展，该设计方法已不能满足医学发展的要求。

2 本数字扫描变换系统的设计方法

2.1 基本设计思想

DSC是为满足NTSC/PAL显示方式而设计，按照NTSC/PAL显示特点，其每行只能显示有限个图像数据点，且需要按每帧的时间间隔进行更新。本设计方法只要能在NTSC/PAL格式的一行时间内实现数据的实时更新，即可满足NTSC/PAL显示要求。基于此设计思想，在设计中基于NTSC/PAL格式的一行时间，逻辑上采用高速串行方式，按照“分时复用”的原则访问DDR SDRAM，可实现以1片DDR SDRAM代替多片RAM/SRAM的数据存储方式（如图 1所示）。

图1 分时复用访问DDR SDRAM时序图

图中t1、t2、t3、t4、t5表示在NTSC/PAL格式的一行时间内，通过DDR 控制器对DDR SDRAM进行读写的时间段。其一行时间分配程序如下：

由于DDR SDRAM具有高速特性（总线带宽可达300MB/s），因此上述的5大部分数据存储区分别按照t1、t2、t3、t4、t5的时间划分，可获得平均60MB/s的数据带宽进行实时数据更新，这个数据带宽均远远大于现有的RAM/SRAM的数据访问速度。

目前，设计中只是按照t1～t5划分时间段，在将来使用中，如需要增加汉化功能时，可由处理器初始化时依次写入相应的数据至DDR SDRAM的数据区中，在使用时可扩展时间段的划分区间数目，这可进一步扩展本设计方法的应用范围。

因此，从上述分析上来看，基于本设计方法，采用DDR SDRAM（容量可为64MB）可代替现有的多片RAM/SRAM进行数据存储，具有更大容量（现有电影回放为256帧，本设计可达512帧）、使用方便、访问速度快以及具有扩展功能等特点。

2.2 具体的设计流程

系统的DSC处理流程如图2 所示。

图2 DSC逻辑处理流程

（1）按照NTSC/PAL的格式产生TV时序，得到HRST（行同步信号）、VRST（场同步信号），此两信号为DSC设计中的基准信号。对于不同格式以及不同显示器，可以调节HRST与VRST的有效宽度。在本文中，行周期为64μs，场周期为625×64μs，可满足800×600显示器的要求。

（2）HRST作为控制信号分时控制经波束合成后的图像数据进入DDR SDRAM，控制图像插值时序、电影回放数据的读出以及插值成帧后的数据回存等。

（3）在同一个HRST有效的情况下，数字波束合成的每一条扫查线的数据分段写入到DDR SDRAM。后按页方式从SDRAM读出，扫查数据送入图像插值部分处理。

（4）图像插值部分对来自DDR SDRAM的扫查数据经过图像极性反转、灰阶处理、图像平滑处理后，读取NAND FLASH里的插值表数值，进行NINA算法插值处理。

（5）插值后的成帧数据分成2部分，一部分存入DDR SDRAM中，另一部分数据与电影回放的数据一起由ARM/MCU进行选择输出，该输出的数据实时地与ARM/CMU控制器写入的字符（主要是一些必要标注）进行合成，后通过D/A转换芯片，直接在CRT/液晶显示器或专用显示器（VGA方式）显示。

（6）当需要B超图像进行远程传输、拷贝输出或者基于U盘方式打印输出时，可通过相应的网络接口按照TCP/IP协议进行传输、U盘接口直接拷贝或者直接打印。在进行网络传输时，系统通过ARM/MCU和网络接口芯片可实现与数字化医院的电子病历系统进行B超图像数据对接。

2.3 设计的关键点

（1）基于HRST信号数据总线时间的分配。由于系统必须满足PAL/NTSC格式要求，因此，每一次HRST信号有效的时间内，对DDR SDRAM存储器的各种不同的操作通过依次占据对应的时间段来实现；并要求这些不同的操作对存储器的数据总线使用完要立即释放，这在逻辑控制的设计中需要特别注意，否则会导致图像或者字符出现抖动。

（2） DDR SDRAM的控制器核的改进设计。在本系统中，由于ARM/MCU对DDR SDRAM的操作需要单次突发读写，并且每条B超扫描数据是以纵向的方向输入至存储器，这也需要扫描数据线上的每一个数据单次写入存储器，因此对DDR SDRAM需要采用单次方式，而不能采用其余如4字或者页方式。已有的控制器不能很好的实现这一点，因此需要对其进行改进。

3 系统硬件设计

3.1 系统的总体介绍

系统设计的总体硬件框图如图3所示，按功能可划分为4部分：数据存储部分、FPGA图像处理部分、微处理器控制部分以及视频输出部分。各个部分的功能简介如下：

图3 系统硬件设计框图

（1）微处理器（ARM/MCU）实现支持U盘读写、打印机打印，并可通过网络对NAND FALSH写入B超仪显示的一些固定字符，以及与电子病历系统对接实时传输图像等功能。

（2）FPGA图像处理部分实现图像处理，包括各种图像插值算法的实现、数据存储控制以及显示输出的时序控制。

（3）数据存储部分包括大容量的DDR SDRAM和NAND FLASH，实现动态图像数据存储和固定字符数据存储。

（4）视频输出部分实现多种视频信号输出。

3.2 关键器件的选择

（1）FPGA的选择。经过比较，选择XILINX公司SPARTAN6系列中的LX45，此器件具有以下特点：① 具有丰富的BLOCK RAM资源，能满足DSC系统数据存储和处理的需求；② 具有如18×18乘法器以及48bit累加器等多个DSP（数字信号处理）硬核，能满足系统实现各种算法的需求；③ 具有多种接口，可以直接实现与DDR/DDR2/DDR3存储器访问，方便设计的实现；④ 具有多个数字锁相环，为设计中产生多个同源时钟提供了条件。

（2）A/D以及D/A器件的选择。A/D选择Analog Devices公司的AD9057，此器件最高采样速率可达80MSPS，具有高速转换以及自带参考电压等特点，是专用视频采集处理芯片，可满足系统高速采集的需求。D/A选择Analog Devices公司的AD9750，其最高转换输出速率为120MSPS，高SFDR（在5M时，可高达76dBc）等特点，能满足TV视频高频分量不损失的要求，从而可满足B超图像画面细腻的需求。

（3）ARM/MCU的选择。器件选择三星公司的S3C2440，其支持DMA方式的数据传输，具有32数据总线以及多个USB接口等特点，能满足系统多个外围接口扩展的要求。

3.3 系统的输出结果

（1）基于软件ISE中的CHIPSCOPE工具，得到行、场消隐脉冲，行、场同步信号，图像字符等信号输出（如图4所示）。

图4 TV时序行、场输出结果图

（2）限于实验条件，采用频率为3.5M的凸阵探头（96阵元）扫描人体腹部所得到的DSC结果如图5所示。

图5 DSC输出结果图

4 结束语

本文提出了一种新型、高集成度的B超数字扫描系统设计方法，给出了系统的硬件设计框图以及相关的图像逻辑控制设计。基于FPGA验证了系统的设计，并通过实时监测工具CHIPSCOPE获取到系统的TV时序结果，最后通过显示器得到了扫描输出结果。结果表明，此方法可以实现高集成度的B超数字扫描系统，可满足B超设备小型化趋势的需求以及相关扩展应用。

[1] Tan Yiyu,Zhang Ning.An Image Processing System Scheme in B Mode Ultrasonic Ophthalmological Scanner[C].Proceedings of the 16th IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS'03),2003:74-79

[2] 李鹏.医学超声成像中若干新技术的研究与实现 [D].杭州:浙江大学,2009.

[3] 彭龙飞.数字超声成像关键技术的优化设计与实现[D].成都:电子科技大学,2010.

[4] 冯若.超声诊断设备原理与设计[M].北京:中国医药科技出版社,1994.

[5] 刘晓东.B超DSC部分分析[J].中国医学装备,2004,1(1):37.

[6] 张礼群.基于FPGA芯片的根管扩大仪的数字频率计设计[J].中国医疗设备,2011,26(4):26-27.

[7] 黄志远,王爱国,黄中颢.超声诊断仪TGC电路的改进[J].武汉科技学院学报, 2005,(8):29-32.

Design for High Integration Digital Scan Converter of B-scanner

TANG Qing-shan1,2,YE Qing-dong2,LI Ya-jie1
1.School of Physics and Electronic Science, Changsha University of Science and Technology，Changsha Hunan 410004,China; 2.Greatwall Information Industry Co., Ltd, Changsha Hunan 410100, China

Aiming at the requirements of B-scanner equipment miniaturization and storage capacity for scanning images, this paper presents a new design for digital scan system based on FPGA and DDR SDRAM. The Logical design process and simulation is provided. The simulation and experiment results prove that by this way the B-scanner equipment miniaturization can be achieved.

digital scan converter; FPGA；DDR SDRAM

TH776；R445.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.08.008

1674-1633(2011)08-0025-03

2011-04-08

2011-07-11

长沙市科技计划项目（K1101005-11）资助；长沙理工大学人才引进基金项目（10xxrc004）资助；湖南省教育厅基金项目（09C080）资助；长沙理工大学重点学科建设项目(200801101)资助。

本文作者：唐清善，博士，讲师。

李亚捷，副教授。

通讯作者邮箱：springyajie@126.com