B型超声射频信号高速数据采集系统设计

　　前言

　　医学超声成像是利用超声波通过人体各组织时所反映的声学特征的差异来区分不同组织，并以图像的形式显示出脏器的界面和组织内部的细微结构。这种检查方式结合了超声物理学、现代电子技术和生物医学等多种技术，是继X线成像技术后，在医学中发展最迅速，应用最广泛的成像方法。特别是数字扫描转换器（DSC）和数字信号处理（DSP）的出现，把B型超声成像技术推向以计算机数字图像处理为主导的，功能强，自动化程度高，图像质量好的新水平。

　　在数字超声成像系统中，数字图像处理的方法直接影响着成像的质量。近几年来，为了提高超声图像的分辨率，改善图像的质量，以便于更好地提取有益于医疗诊断的信息，发展了多种图像处理的方法。根据处理模式的不同，主要分为两个方向：（1）一类对图像中的加性噪声进行抑制或对图像进行区域操作，以提高图像质量。（2）采用反卷积的方法。而在很多图像处理的算法上，采用的实验图像数据是经过一系列线性和非线性及检波后的图像数据，原始的超声射频信号已经失去了一定的信息。为了更好的评价一个算法的有效性，采用直接从B型超声系统的射频信号直接量化而来的原始数据是理想的选择。但是现阶段的大部分医

　　用超声成像系统所提供的图像数据都是通过检波等处理后的数据。因此就有必要设计数据采集卡，来取得直接从射频信号量化而来的图像数据。

　　1 系统设计

　　本实验设计的数据采集卡的实验对象：Belson200AB型超声诊断仪。它是便携式电子凸阵扫描B超，主频3.5MHz、2.5MHz～5MHz变频、80基元R60凸阵探头，探头宽度：3.84cm，探测深度：≥170mm，扫描范围：100mm×210mm，256灰阶，分辨率：横向≤2mm纵向≤1mm，扫描线：512线/帧，帧率：30帧/秒。

　　Belson200AB型超声诊断仪接收及显示部分的原理框图如图1所示。在该图中，B型超声波的射频回波信号通过前置发动、聚焦、微分放大、时间增益补偿、检波等一系列的处理，最后通过数字处理将超声波图像送监视器显示和存储及打印图像。根据原始数据的要求，数据采集卡的射频信号输入源来之图1中DF/TGC放大模块之前的射频信号。

　　系统设计包含硬件部分和软件部分，其中硬件部分是基于计算机PCI（peripheral component interconnect）局部总线设计的，采用PCI9054作为PCI局部总线和FIFO数据总线和CPLD控制总线的桥接芯片，它符合PCIv2.2规范的32位33MHz总线主控接口控制器。ADC采用AD9283，8位分辨率和最高100M/s的转换速率，用到了2片FIFO作为数据缓冲器和LatticeCPLDispMACHLC4128V用于各个芯片之间的逻辑控制。软件系统用Windriver开发驱动程序和VC集成开发环境编写应用程序。

　　1.1 硬件设计

　　图2显示了本数据采集系统硬件部分的框图：在该硬件框图中，PCI9054将两片FIFO连接到了PC机的PCI局部总线上。

　　PCI9054接口芯片的特点：符合PCIv2.2规范的32位33MHz总线主控接口控制器可获得高达132兆字节/秒的PCI突发传输速度;具有两个DMA引擎，可编程目标和起始器数据传输模式和PCI信息传输功能;3.3V，5V容错PCI信号支持通用PCI适配器设计;灵活的3.3V，5V容错局域总线操作，高达50MHz;32位多路复用或非多路复用局域总线支持8位、16位以及32位外围设备和存储设备;工业温度范围操作等。

　　在本设计中采用PCI9054C模式下的从目标模式和DMA模式。通过从目标模式向CPLD发出各种命令控制字来设定采样率和采样深度。通过DMA模式，将采集存储在FIFO的数据通过PCI9054的DMA通道0传输到计算机的内存中。为了使ADC采集的数据不被覆盖，采用两片FIFO交替存储数据，数据存储和读取时序如图3所示。

　　图中触发脉冲由Belson200AB超仪发出，是该仪器一组阵元发射超声波和接受超声波的触发信号，周期为320μs。Belson200AB超仪的80基元R60凸阵探头被分成160组阵元，即一幅原始的B超图像由160线数据组成。数据采集是对每一线采集一定量的数据（采集的数据量可以由CPLD控制），在触发脉冲的下降沿开始采样数据，同时锁存该线在阵元组中的编号地址（该地址由Belson200AB超仪产生，通过排线接入采集卡CPLD的I/O口）。当达到预设的数据量时，通知PC机将数据和地址从FIFO读入PC机内存。两片FIFO交替工作的逻辑通过CPLD实现。

PCI9054支持两种方式的DMA传输：块（BLOCK）传输和散/聚（Scatter/Gather）传输。快传输相对简单，图4是其传输的一个示意图。只要对PCI9054的各个DMA控制寄存器写了相应的值，如PCI地址寄存器存保存本次DMA在PC机端一片连续内存块的起始地址