本實用新型涉及高壓超聲激發(fā)信號的發(fā)送，高頻超聲數(shù)據(jù)采集，更具體地，涉及一種基于PCI-E接口的64通道高頻超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。

背景技術：

超聲檢測現(xiàn)今廣泛應用于醫(yī)學成像，板材管道探傷成像系統(tǒng)中，如B超，超聲探傷儀等。醫(yī)學超聲成像有價格低廉、使用簡便、實時迅速、無創(chuàng)無輻射性、準確性高、可連續(xù)動態(tài)及重復掃描等優(yōu)點，雖然現(xiàn)在超聲成像算法和探傷算法已經(jīng)比較成熟，但還是有很大改進空間，如超聲目前還不適合含氣器官檢查如肺，消化道和骨骼的檢查等。而市面上一些專用的超聲探測儀拿不到原始的超聲收發(fā)數(shù)據(jù)。故很有必要設計一個簡單易用性價比高的超聲數(shù)據(jù)采集實驗環(huán)境，方便科研人員采集原始超聲數(shù)據(jù)從而去優(yōu)化現(xiàn)有超聲檢測算法。

現(xiàn)在市面上有關多通道高速（大于40MHz）超聲數(shù)據(jù)收發(fā)卡功能非常有限，一些通用的高速數(shù)據(jù)采集卡，如美國的國家儀器（NI），中國臺灣的凌華科技(ADLINK)，其數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量遠遠達不到超聲成像應用要求，這些公司生產(chǎn)的高速數(shù)據(jù)采集卡一般最多支持8通道數(shù)據(jù)采集且不支持收發(fā)一體，雖然可以用PXI機箱把多個高速PXI發(fā)送板卡和采集板卡連接一塊組成一個系統(tǒng)實現(xiàn)超聲數(shù)據(jù)收發(fā)實驗環(huán)境，但是板卡數(shù)量過多連接導線雜亂，不易管理，而且單個板卡價格非常昂貴，造成系統(tǒng)成本太高，不能大規(guī)模推廣應用。而且PXI系統(tǒng)只能數(shù)據(jù)采集，內部控制器處理數(shù)據(jù)能力非常有限，不能直接在采集環(huán)境中用高性能CPU和GPU加速去分析復雜算法，這樣數(shù)據(jù)采集必須跟算法分析分開進行，不能實現(xiàn)實時采集實時分析出結果。應用中顯現(xiàn)出很大局限性。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有定制PXI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)價格昂貴，實用性差的問題，本實用新型提供了一種基于PCI-E接口的64通道高頻超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以直接在一個主機中實現(xiàn)64路超聲收發(fā)，極其方便科研人員超聲數(shù)據(jù)的采集使用。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案為：

一種基于PCI-E接口的64通道高頻超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，包括4個板卡模塊，分別為1個主板卡模塊和3個從板卡模塊，各板塊模塊之間是同步采集的；

所述板卡模塊包括16通道傳感器陣列、32通道高壓模擬開關芯片、兩片8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片、16通道高速ADC采集芯片、處理器、兩片DDR3存儲器、PCI-E總線接口、晶振和供電電源；

16通道傳感器陣列與32通道高壓模擬開關芯片連接，32通道高壓模擬開關芯片的輸出端與16通道高速ADC采集芯片的輸出端連接，16通道高速ADC采集芯片的輸出端與處理器的輸入端連接，處理器的輸出端分別與兩片8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片的輸入端連接，兩片8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片的輸出端分別接入32通道高壓模擬開關芯片的輸入端；處理器的輸出端還分別與兩片DDR3存儲器、PCI-E總線接口連接，晶振為向處理器提供操作時鐘。

上述技術方案中，板卡模塊滿足超聲探頭收發(fā)一體的應用場景，即發(fā)送和接收通路通過一個開關相連，實現(xiàn)發(fā)送高壓和采集低壓通路之間的切換。發(fā)送信號通過8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片，該芯片可以通過處理器去控制每個通道高壓激發(fā)信號發(fā)送的時間延遲，從而滿足超聲相控陣成像的應用。

優(yōu)選的，所述供電電源分為兩個子模塊，一個模塊生產(chǎn)高壓 70V供給8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片產(chǎn)生高壓激發(fā)信號，另一個模塊生成低壓電源，供給系統(tǒng)中其他部件。

優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括與處理器連接的SPI FLASH。

優(yōu)選的，所述處理器為FPGA。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果為：

1、通過32通道高壓模擬開關芯片實現(xiàn)超聲探頭收發(fā)一體，時分復用，節(jié)省探頭成本。

2、通過兩片8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片實現(xiàn)激勵信號的發(fā)送，該芯片可通過FPGA配置，自動發(fā)送延時的高壓激勵信號（電壓可達+-70V）。

3、通過16通道高速ADC采集芯片把超聲數(shù)據(jù)采集發(fā)往處理器，該采集芯片內部集成了數(shù)據(jù)的全套模擬前端，14位分辨率的ADC能實現(xiàn)65MSPS，可以保證采集超聲數(shù)據(jù)的質量。

4、使用兩片高速DDR3存儲器作為系統(tǒng)緩存，兩片DDR3存儲器可同時緩存數(shù)據(jù)，大大提高數(shù)據(jù)采集的可靠性。

5、發(fā)送和采集都采用專用的集成了信號調制電路芯片，大大節(jié)省PCB的布局布線資源。

6、PCI-E總線接口比較靈活通用，用一個多PCI-E插槽的主板就能實現(xiàn)16×N路超聲收發(fā)系統(tǒng)。采集到數(shù)據(jù)可以通過主板上高性能CPU，CPU去實時分析數(shù)據(jù)，得出實時結果。

7、多PCI-E板卡之間通過握手信號來實現(xiàn)同步，即從板卡都初始化好后會給主板卡一個響應信號，主板卡初始化好后檢測從板卡的狀態(tài)，如果從板卡都準備好了則發(fā)送觸發(fā)脈沖，同步開始采集。

附圖說明

圖1為本實用新型16通道高速超聲板卡模塊硬件架構圖。

圖2 為本實用新型多板卡模塊同步通信接口連接方式。

圖3為本實用新型FPGA 內部硬件模塊架構圖。

圖4 為本實用新型整個完整采集系統(tǒng)工作流程圖。

具體實施方式

為了更好地說明本發(fā)明思想，結合附圖對本實用新型做詳細的說明。

如圖1所示，單個板卡模塊的硬件圖，整個硬件組成主要包括2片HV7351 8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片，1片16通道高速ADC芯片，具體型號為AFE5818，1片32通道高壓模擬開關芯片，具體型號為HV2808，1片Xilinx Artix-7XC7A200T FPGA主控芯片，2片DDR3芯片，一片外部晶振，一片SPI FLASH，再加一個電源模塊。

HV2808開關是一個32通道二選一矩陣，最高適用于正負100電壓輸入。可通過一個 3.3V CMOS邏輯電平去控制開關的切換。外部直接跟傳感器陣列相連，內部一端接高壓脈沖信號，一端接低壓采集探頭。通過控制開關就能控制外部傳感器與高壓發(fā)送端口連接還是低壓采集芯片相連。

8通道高壓脈沖超聲發(fā)送芯片HV7351可達+70V高壓輸出， +3A輸出電流，獨立可編程時延，延遲計數(shù)器操作時鐘可高達200MHz，這樣增量延遲可低至5ns。FPGA只需要很少的控制引腳就可控制操作芯片，芯片往外發(fā)送脈沖之前，F(xiàn)PGA先配置芯片參數(shù)，如時延參數(shù)等。

FPGA選用Xilinx公司的 Artix-7XC7A200T FPGA作為主控芯片，該芯片含215,360個邏輯單元，內部含13,140Kb RAM塊，支持PCI Express X4 Gen2（5Gb/s），接口支持DDR3接口頻率1,066 Mb/s 。

DDR3可選Micron MT41K512M16HA-125 芯片，該芯片存儲容量8Gb，16位寬總線。兩片DDR3，操作時鐘800MHz，理論存儲最大速率為3200MB/s。

晶振可選用50MHz差分輸入，為系統(tǒng)操作時鐘，F(xiàn)PGA內部時鐘管理單元可通過分頻和綜合把時鐘分為各種不同等級的頻率去操作各個模塊。

SPI FLASH 可選用Winbond W25Q64BV 64M 比特spi flash，用來存儲FPGA 程序bit文件。

電源模塊分為兩個子模塊，一個模塊生產(chǎn)高壓+70V供給HV7351產(chǎn)生高壓激發(fā)信號，另一個模塊生成低壓電源，供給數(shù)字芯片。圖1中的PCI-E x4指的是PCI-E接口。

如圖2所示，四個板卡其中一個為主板卡，主板卡相對從板卡多了4個控制接口，所有板卡依據(jù)參考時鐘（10MHz）同步起來。

主觸發(fā)和從響應的通信協(xié)議為：當主板卡接受到上位機開始運行命令時，主板卡先檢測從板卡有沒有準備好，準備好了響應板卡的從響應接口為高電平，否則為低電平。準備好了就發(fā)送觸發(fā)脈沖給從板卡，從板卡接收到脈沖后的下個周期上升沿開始采集數(shù)據(jù)。如果沒有準備好，則一直等到所有從板卡準備好采集再開始發(fā)送觸發(fā)信號。這樣可以確保所有的板卡都完全同步采集。

所有的參考時鐘線都等長設置，確保時鐘相位無誤差。

如圖3所示，F(xiàn)PGA內部可分為ADC控制轉換模塊，信號激發(fā)控制邏輯模塊，DDR3控制器模塊，PCI-E x4控制器模塊，配置邏輯控制模塊，時鐘管理模塊。

AD芯片輸出接口電平是LVDS差分電壓，輸出到FPGA為串行數(shù)字信號，在接口處可利用FPGA解串基元把串行轉變并行，然后16路并行數(shù)據(jù)再一并輸入雙頻率16×16 轉64（假設接口DDR3接口配置為64總線寬度）FIFO，同時DDR3控制器檢測到FIFO中有數(shù)據(jù)可讀則執(zhí)行讀FIFO命令，再把數(shù)據(jù)發(fā)往DDR3存儲器存儲起來。

等所有的數(shù)據(jù)都采集緩存后，再通過PCI-E X4 控制器讀DDR3中緩存的數(shù)據(jù)，后傳輸至上位機。

DDR3控制器主要是包含一個DDR3 IP核，該IP核負責把采集的有效數(shù)據(jù)轉換為DDR3物理存儲器能識別的協(xié)議格式。

PCI-E x4控制器包含一個PCI-E IP核，該IP核負責把采集的有效數(shù)據(jù)轉換PCI-E總線協(xié)議格式傳輸。

時鐘管理單元把外接時鐘50MHz通過PLL轉變?yōu)楦鞣N其它時鐘，驅動各個模塊有序的運行。

配置邏輯控制主要負責處理上位機發(fā)送來的配置命令，如采樣點數(shù)，采集數(shù)據(jù)的采樣率，發(fā)送高壓脈沖的時延，開始和結束命令等。

信號發(fā)送邏輯把負責配置控制高壓脈沖激發(fā)芯片。

如圖4所示，整個板卡工作時序狀態(tài)為：

啟動系統(tǒng)電源后，主板卡初始化，把燒入SPI FLASH 的配置文件下載到FPGA，所有初始化完成后，等待上位機發(fā)送的板卡工作是的配置參數(shù)，如采樣率，每次采樣點數(shù)，采樣間隔等。

配置完成后等待開始運行命令，如果從板卡接受到開始運行命令，則在相應的從響應接口輸出高電平，表示板卡所有模塊已經(jīng)開始準備好運行，如果主板卡接受到開始運行命令時先檢查從板卡的從響應接口電平狀態(tài)，如果都為高電平，則表示從板卡都已經(jīng)接受到上位機的開始運行指令，這是主板卡同時給每個板卡發(fā)送一個相應的觸發(fā)脈沖，同時板卡約定，再接受到觸發(fā)脈沖的下一個周期開始發(fā)送高壓激發(fā)脈沖至超聲探頭。

當高壓激發(fā)脈沖發(fā)送結束時，切換開關把超聲傳感器陣列與接受AD芯片相連，同時開始采集數(shù)據(jù)。

開啟采集數(shù)據(jù)計數(shù)器，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往FPGA，再經(jīng)過DDR3控制器緩存到DDR3，當采集到預設的點數(shù)時，通過DDR3控制器讀取DDR3控制器中的數(shù)據(jù)，再通過PCI-E 控制器發(fā)往上位機。

發(fā)送時候同時檢測DDR3內存數(shù)據(jù)是否已經(jīng)全部讀出，如果全部讀出來了，則檢測PCI-E控制器FIFO中有無緩存數(shù)據(jù)。

發(fā)送完成后檢測上位機有沒有發(fā)送停止運行的指令，如果有則停止此次的任務，沒有的話則判斷兩次發(fā)送和采集的時間間隔周期有沒有到，如果到了則轉到高壓激發(fā)脈沖發(fā)送狀態(tài)循環(huán)執(zhí)行狀態(tài)，直到接受到上位機的停止運行指令為止。

本實用新型為了克服現(xiàn)有定制PXI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)價格昂貴，實用性差的問題，提供了一種基于PCI-E接口的64通道高頻超聲數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在一個主機中實現(xiàn)64路超聲收發(fā)，極其方便科研人員超聲數(shù)據(jù)的采集和算法研究。該系統(tǒng)包括4個板卡模塊，每一個板卡可以實現(xiàn)16通道超聲數(shù)據(jù)的收發(fā)，所有的板卡模塊通過板載參考時鐘和同步觸發(fā)信號，握手通信協(xié)議跟其它幾塊板卡相連實現(xiàn)同步采集。

板卡模塊設計滿足超聲探頭收發(fā)一體的應用場景，即發(fā)送和接收通路通過一個開關矩陣相連，實現(xiàn)發(fā)送高壓和采集低壓通路之間的切換。發(fā)送信號是通過專用8通道高壓調制芯片，該芯片可以通過FPGA去控制每個通道高壓激發(fā)信號發(fā)送的時間延遲，從而滿足超聲相控陣成像的應用。接收使用16通路高速AD采集芯片，每個通道通過串行差分信號把轉換后的數(shù)字信號發(fā)送至FPGA,數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA調制送往DDR3存儲芯片緩存，緩存的同時通過FPGA 內部的DDR3控制器讀取緩存的數(shù)據(jù)再通過PCI-E Gen2 x4總線發(fā)往主機，由主機去分析數(shù)據(jù)。本采集系統(tǒng)搭配普通多PCI-E插槽的主板就能滿足高速的超聲應用，相對來說靈活性非常強，可以實現(xiàn)實時采集實時處理應用的場合，而且性價比高。

以上所述的本實用新型的實施方式，并不構成對本實用新型保護范圍的限定。任何在本實用新型的精神原則之內所作出的修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的權利要求保護范圍之內。