基于FPGA的超声波成像系统设计

叶先万 刘聪鑫 胡霄 吴松和

摘要：文章自主设计了一种超声波成像系统，采用超声波激发电路发射窄脉冲信号，激励微型电容式超声换能器向目标检测物体发射超声波信号，采用收发隔离电路接收目标检测物体反射回的回波信号，结合FPGA模块对回波信号的处理，大大提高了信号处理速度，及成像效率。

关键词：超声波成像；超声换能器；FPGA处理

随着科技的进步，超声波成像技术广泛应用于人类生活的各个领域，在医学诊断、无损检测、超声显微镜和水下探测等多个领域内均发挥着重要的作用。超声成像系统的性能取决于超声换能器、信号处理电路、图像处理的方法和声学封装的技术水平。其中超声换能器能够发射超声波和检测超声波，实现电声转换和声电转换，是超声成像诊断设备的核心部件，所以超声换能器的发展对提高超声检测技术和设备的发展起着决定性的作用。但现有的超声波成像装置中大多数利用传统的压电式超声波换能器，由于种种限制已不能满足现代超声检测的需求。基于此，文章利用微电容式超声波换能器，通过回波处理电路等模块，利用FP-GA+ARM的异构系统，完成数字波束合成，解调和检波等信号处理，最终实现成像。

1 总体设计

设计系统的核心控制方式采用FPGA与ARM异构，其中选用的是Altera公司的DE2-70开发板，ARM处理芯片选用的是ST公司的STM32F系列开发板，总体结合FPGA的强大运算能力和ARM高效的处理能力，使设计系统具有高效的工作性能。整体设计框图如图1所示。

首先电源模块的作用为给电路中各个模块进行供电用来保证电路持续稳定工作。超声波激发电路能够产生尖锐的高压脉冲信号，可以用来激励超声波换能器发射定向超声波。发射出的超声波信号与被测物体接触后会产生回波反射信号，接收回波前，该信号先要经过一个收发隔离电路用于分隔入射波与反射波，阻止高压发射脉冲进入回波接收电路。由于超声系统成像时，经物体反射回来的超声波衰减严重，回波信号比较微弱，故需要利用一个低噪声放大器对回波信号进行适当的放大，增大信噪比。随后将经过低噪声放大后的信号接到8位精密高速AD模块，将模拟信号转变为数字信号，送入FPGA作进一步处理。利用FPGA强大的运算能力，通过其内部相应智能算法实现成像。接着，调用Altera提供IP core创建新的滤波器模块，设定好参数，然后将经过滤波处理的多路信号送入加法器中，将多路信号合成为一路。之后通过一个正交解调器，去除回波信号中的载波分量，提取信号的幅度和相位信息。FPGA与ARM控制芯片间通过HPS桥进行连接，FPGA处理得到的图像信息会传送给ARM控制核通过其外接的LCD显示模块显示出来，ARM控制核外接按键控制模块，有助于接收用户的调控操作指令，并将调控操作指令发送至STM控制模块。

2 主要电路设计

2.1 发射电路

发射电路的原理图如图2所示。在换能器一端施加上直流偏置，使其回复力和电场力达到平衡，同时在换能器另一端叠加交流激励。左右两边直流和交流信号同时输入，使换能器在交流激励与直流偏置共同作用下产生超声波。

2.2 收发隔离电路

收发隔离电路的原理图如图3所示，其理论依据主要是基于二极管限幅原理。此电路具有2个作用：对高压输入信号限幅，使此信号通过后续检测电路时不会烧坏检测芯片；将回波信号与输入信号分离，使微弱回波信号不被高压输入信号淹没。收发隔离电路隔离电容、二极管电桥、偏置网络、双向二极管组成。

2.3 低噪声放大电路

采用AD603放大器，AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，它能够提供精确的、可调的、能够线性变化的增益，且在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，通常用于射频（RF）和中频（IF）自动增益控制（AGC）系统。本部分电路设计原理图如图4所示，经电路仿真与实测，该电路能够起到较为理想的放大效果。

3 设计创新点

該系统设计以现有的超声成像技术和系统为基础，结合现有的其他原理与技术，旨在设计一套更加高效且更为适用的超声成像系统。文章设计的主要创新点有以下几点：

（1）在数字信号进行处理以及存储调用采用了FP-GA与ARM异构，实现使用不同类型指令集和体系架构的计算单元，提高了数字信号处理的速度以及系统的稳定性，使整体程序设计变得简洁。FPGA进行计算，ARM进行主控控制，二者结合，使主控系统处理能力高效、易行。

（2）在设计电路的低噪声放大器模块上，选用AD603程控增益放大器来放大微弱的回波信号，可以得到较为适合稳定的回波信号。

（3）文章设计激发主电路采用窄脉冲激发方式，采用电容快速放电激发换能器发射超声。窄脉冲发射是通过电感或电容快速放电产生尖锐的高压脉冲信号来激励超声换能器以发射超声，对缩小盲带、提高探测精度具有重要意义。

4 结语

本设计以目前出现的超声成像技术为指导，改变主控模式，以实际电路模块设计出一款全新的超声定向系统。系统的整体设计效果较为稳定，能够从控制源头增加成像的智能效果，具有良好的应用前景。

参考文献

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