数字b超中时间增益控制器硬件电路设计

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1、数字B超中时间增益控制器硬件电路设计  摘要:时间增益控制器(TGC)是B超成像设备的重要部件,它对人体反馈的超声信号进行增益控制,补偿超声随传播距离增大而产生的衰减。该文依托数字B超设备的研发项目,完成了TGC的设计,包括整体方案设计、硬件电路设计与实现。关键词:数字B超;时间增益控制;硬件电路中图分类号:TP399文献标识码:A文章编号:1009-3044(2014)04-0867-03在超声诊断设备中,由探头产生的超声波在人体组织传播时,由于组织对声波的散射、吸收以及声束自身的扩散等因素,其能量(振幅,声强等)会随距离的增大而逐渐衰减

2、,反射的回波信号也会逐渐减弱,这样在纵向深度上,不同深度的同一组织器官将以不同的灰度值显示,不能反映真实反射体的本质。因此,必须采用时间增益控制器(TGC)补偿超声波在传播过程中的衰减,本质上就是利用一定的电压曲线控制回波放大器的增益,实验表明,人体组织对超声波的衰减呈指数规律,补偿电压曲线也为一条指数函数曲线。1方案设计5TGC以一条指数曲线进行增益补偿,但在实际使用中,诊断医生医师需要调整局部增益,以获得更高的图像细节来查看感兴趣的部位,补偿曲线并不是一成不变的,所以,在设计出基础TGC曲线后,需要根据使用情况,以该曲线为基础进行调节,

3、该文采用单片机+FPGA的设计方案,如图1所示。单片机片内ROM中存储TGC基础曲线波形表,通过偏移量采集电路获取用户对该TGC的控制信息,并在基础曲线上进行重新计算更新波形表,将新的波形表通过IO口以自定义协议传输给FPGA,FPGA将接收到的TGC波形表存储于片内Ram,在B超扫描同步信号的作用下控制DAC完成数模转换,形成模拟电压曲线,再通过放大器调节至压控放大器所需要的电压范围。输出曲线可以通过修改单片机内部基础曲线波形表以及调整算法修正,具有灵活性好的特点。2硬件电路设计2.1TGC信号发生电路的设计信号发生电路主要包括FPGA部

4、分的逻辑电路、D/A变换器、放大电路等。FPGA产生对D/A的控制信号,D/A输出STC曲线,再经过放大输出。系统要求D/A的转换速率至少在4MHz以上,选择TI的TLC5602,该D/A的最小转换速率为20MHz,+5V电源供电,而且功耗极低,典型功耗为80mW,该文中D/A的参考电压为+4.02V,其输出电压范围为4V~5V,所以其电压精度为1/256=45mV,很好的满足了系统的要求。设计电路如图2所示。由于D/A的输出范围为4V~5V,而所需要的STC电压调节曲线范围在0~2V,因此需要通过模拟电路将电压变换到0~2V,设计将信号加

5、上-4V后,信号范围为0~1V,放大2倍即得到0~2V,为了提高带负载能力,增加一级电压跟随器,电路如图3所示。2.2偏移量采集电路设计TGC调节有9个,即8个分段调节以及1个总体调节,8个分段调节通过滑动变阻器进行实现,偏移量的采集需要AD完成,该文选择TLC5510集成A/D转换器,AD部分电路设计如图4所示。由于TLC5510是单通道采样,而所需采集的电压有8个通道,在此采用一个模拟开关CD4051来进行通道选择,以实现对8个通道的分时采样,该部分是模拟电路,对纹波要求比较高,需要考虑将模拟部分与数字部分隔离开来,以提高抗干扰能力。该

6、文采取将电源和地单点相接的方法,用一个零欧姆电阻将模拟电源与数字电源及模拟地与数字地隔开。5由于单片机是3.3V供电,而A/D的输出是5V的电平,控制CD4051也需要5V的电压,因此,设计中采用了74LVC245ADR实现电平转换。74LVC245是一个可以选择电平转换方向的电平转换芯片,当DIR接高电平时候,是从A端的5V转换到B端的3.3V,而当DIR接低电平的时候,是从B端的3.3V转换到A端的5V。TGC的总体调节由旋转编码器实现。其电路设计如图6所示旋转编码器的A端接在单片机的外部中断管脚上,EB端接单片机普通I/0,采用下降沿

7、触发,当旋转编码器时,会产生一个下降沿的中断,判断B端的高低电平就可以知道是正传或者反转。如果为高电平则为正转,否则为反转。2.3单片机与FPGA系统在该TGC设计方案中,单片机和FPGA是整个系统的处理核心,常用的单片机类型多种多样,考虑到开发的容易和安全性能,采用加密性较强的STC12LE5A60S2单片机,为传统8051单片机划时代升级换代产品,管脚完全兼容,可以直接取代传统89C51/89S51系列单片机,单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~1

8、2倍。FPGA则选用ACTEL公司IGLOO系列的AGL060,该以Flash为工艺为基础功,可重编程FPGA,不需要配置芯片,上电即可运行,低功耗,安全性高。3结束语5采用FP

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1、数字B超中时间增益控制器硬件电路设计  摘要:时间增益控制器(TGC)是B超成像设备的重要部件,它对人体反馈的超声信号进行增益控制,补偿超声随传播距离增大而产生的衰减。该文依托数字B超设备的研发项目,完成了TGC的设计,包括整体方案设计、硬件电路设计与实现。关键词:数字B超;时间增益控制;硬件电路中图分类号:TP399文献标识码:A文章编号:1009-3044(2014)04-0867-03在超声诊断设备中,由探头产生的超声波在人体组织传播时,由于组织对声波的散射、吸收以及声束自身的扩散等因素,其能量(振幅,声强等)会随距离的增大而逐渐衰减

2、,反射的回波信号也会逐渐减弱,这样在纵向深度上,不同深度的同一组织器官将以不同的灰度值显示,不能反映真实反射体的本质。因此,必须采用时间增益控制器(TGC)补偿超声波在传播过程中的衰减,本质上就是利用一定的电压曲线控制回波放大器的增益,实验表明,人体组织对超声波的衰减呈指数规律,补偿电压曲线也为一条指数函数曲线。1方案设计5TGC以一条指数曲线进行增益补偿,但在实际使用中,诊断医生医师需要调整局部增益,以获得更高的图像细节来查看感兴趣的部位,补偿曲线并不是一成不变的,所以,在设计出基础TGC曲线后,需要根据使用情况,以该曲线为基础进行调节,

3、该文采用单片机+FPGA的设计方案,如图1所示。单片机片内ROM中存储TGC基础曲线波形表,通过偏移量采集电路获取用户对该TGC的控制信息,并在基础曲线上进行重新计算更新波形表,将新的波形表通过IO口以自定义协议传输给FPGA,FPGA将接收到的TGC波形表存储于片内Ram,在B超扫描同步信号的作用下控制DAC完成数模转换,形成模拟电压曲线,再通过放大器调节至压控放大器所需要的电压范围。输出曲线可以通过修改单片机内部基础曲线波形表以及调整算法修正,具有灵活性好的特点。2硬件电路设计2.1TGC信号发生电路的设计信号发生电路主要包括FPGA部

4、分的逻辑电路、D/A变换器、放大电路等。FPGA产生对D/A的控制信号,D/A输出STC曲线,再经过放大输出。系统要求D/A的转换速率至少在4MHz以上,选择TI的TLC5602,该D/A的最小转换速率为20MHz,+5V电源供电,而且功耗极低,典型功耗为80mW,该文中D/A的参考电压为+4.02V,其输出电压范围为4V~5V,所以其电压精度为1/256=45mV,很好的满足了系统的要求。设计电路如图2所示。由于D/A的输出范围为4V~5V,而所需要的STC电压调节曲线范围在0~2V,因此需要通过模拟电路将电压变换到0~2V,设计将信号加

5、上-4V后,信号范围为0~1V,放大2倍即得到0~2V,为了提高带负载能力,增加一级电压跟随器,电路如图3所示。2.2偏移量采集电路设计TGC调节有9个,即8个分段调节以及1个总体调节,8个分段调节通过滑动变阻器进行实现,偏移量的采集需要AD完成,该文选择TLC5510集成A/D转换器,AD部分电路设计如图4所示。由于TLC5510是单通道采样,而所需采集的电压有8个通道,在此采用一个模拟开关CD4051来进行通道选择,以实现对8个通道的分时采样,该部分是模拟电路,对纹波要求比较高,需要考虑将模拟部分与数字部分隔离开来,以提高抗干扰能力。该

6、文采取将电源和地单点相接的方法,用一个零欧姆电阻将模拟电源与数字电源及模拟地与数字地隔开。5由于单片机是3.3V供电,而A/D的输出是5V的电平,控制CD4051也需要5V的电压,因此,设计中采用了74LVC245ADR实现电平转换。74LVC245是一个可以选择电平转换方向的电平转换芯片,当DIR接高电平时候,是从A端的5V转换到B端的3.3V,而当DIR接低电平的时候,是从B端的3.3V转换到A端的5V。TGC的总体调节由旋转编码器实现。其电路设计如图6所示旋转编码器的A端接在单片机的外部中断管脚上,EB端接单片机普通I/0,采用下降沿

7、触发,当旋转编码器时,会产生一个下降沿的中断,判断B端的高低电平就可以知道是正传或者反转。如果为高电平则为正转,否则为反转。2.3单片机与FPGA系统在该TGC设计方案中,单片机和FPGA是整个系统的处理核心,常用的单片机类型多种多样,考虑到开发的容易和安全性能,采用加密性较强的STC12LE5A60S2单片机,为传统8051单片机划时代升级换代产品,管脚完全兼容,可以直接取代传统89C51/89S51系列单片机,单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~1

8、2倍。FPGA则选用ACTEL公司IGLOO系列的AGL060,该以Flash为工艺为基础功,可重编程FPGA,不需要配置芯片,上电即可运行,低功耗,安全性高。3结束语5采用FP

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