基于ARM+FPGA多通道超声信号采集与传输系统设计
针对超声信号采集系统在多通道同步采集和高速数据传输所面临的挑战,设计并实现了一种
基于 FPGA 的8通道超声信号同步采集与传输系统。系统以FPGA 作为主控芯片,ADI公司的 AD9279作
为8通道超声信号同步采集的模拟前端和模数转换芯片,通过 DDR3SDRAM 及 USB3.0实现数据缓存和
高速数据传输。实验结果表明,该系统在多通道超声信号同步采集、数据缓存和高速数据传输方面表现良
好,为多通道超声信号的同步采集和高速传输提供了可靠的硬件平台。
0 引言
近年来,超声检测技术在医学诊断、工业无损
检测以及水下探测等领域得到了广泛应用[1],尤其
是在医学领域,超声检测技术因其无创、实时和安
全的优势,已成为疾病诊断的常用手段。然而,超
声信号在实际应用中通常较弱,特别是在深层组织
或复杂结构中,信号强度往往会显著降低[2]。为了
从微弱的超声信号中提取有效信息,超声检测系统
的精度和准确性要求不断提升。在此过程中,阵列
传感器的应用,即多通道同步超声检测,成为提高系
统性能的关键。其中,多通道超声信号的同步采集与
传输是超声检测的核心,采集同步性和数据传输速度
直接影响检测的精度与可靠性。传统的数据采集与
传输系统一般采用单片机和 DSP作为主控芯片,控
制 ADC、存储器、与上位机的传输设备以及其他外围
电路进行数据采集与传输的工作,但传统的处理器架
构在处理高速并行数据时容易出现延迟、不稳定或资
源不足等情况,且难以兼顾采集与传输的实时性和同
步性,无法满足多通道超声信号同步采集与高速传输
的要求[35]。因 此,现 场 可 编 程 门 阵 列(field pro
grammablegatearray,FPGA)以其高速并行处理的能
力,逐渐成为超声检测系统中的主控芯片。如王晓春
等[6]设计了一种基于 FPGA 的双通道高频医学超声
信号同步采集与传输系统,通过先进先出(firstinput
firstoutput,FIFO)数据缓存器进行数据缓存,并经
USB接口将数据传输至上位机以实现后续处理;孙
甜等[7]利用FPGA控制模拟开关和 ADC通道的依次
切换,实现了4通道伪同步数据采集方案,并通过以
太网接口进行数据传输;朱紫萌等[8]基于 AD7606设
计了一种多源数据采集系统,实现了100kHz采样率
的8通道并行采集,并通过 USB2.0进行数据传输,
但未考虑数据缓存模块;在Savoia等[9]开发的4通道
超声信号采集系统中,利用FPGA内置的嵌入式随机
存储器(randomaccessmemory,RAM)实现超声数据
的缓存,以确保采集数据的准确性。
为了实现更高精度、高准确性和高速率的多通
道超声信号同步采集与传输,本文设计了一种基于
FPGA 的8通道超声信号同步采集与传输系统。
1
硬件设计方案
1.1 整体系统设计
8通道超声信号同步采集与传输系统主要由FP
GA控制模块、信号采集模块和数据传输模块3部分
组成。系统总体设计如图1所示。
图1 系统总体设计
8通道的超声信号首先通过 AD9279评估板中
的模拟前端进行处理,通过 FPGA 调节可变增益放
大器(variablegainamplifier,VGA)、低噪声前置放
大器(low noiseamplifier,LNA)和抗 混 叠 滤 波 器
(anti aliasingfilter,AAF)的增益,A/D 转换器对
处理后的模拟信号进行模数转换,将转换后的数字
信号缓存到 DDR3SDRAM 中,完成超声数据的采
集。在 USB3.0进行数据传输的过程中,上位机软
件发送一个读取数据指令,将缓存在 DDR3中的信
号通过 USB接口传输至上位机,最后将数据在上位
机上显示并保存为txt文件。
1.2 FPGA控制模块
本文系统主控制板选用以Xilinx公司 Aritx 7
系 列 FPGA 芯 片 为 主 板 的 开 发 板,型 号 为
XC7A100T [10],该开发板设计紧凑精巧,只有普通
信用卡大小。该开发板的核心板采用100 MHz的
有源晶 振 作 为 系 统 时 钟,同 时 集 成 了 2 片 高 速
512MB容量的 DDR3SDRAM 存储芯片[11],用于
缓存超声信号;使用基于 USB3.0的通信接口与上
位机实现数据的交互,同时为板卡供电;使用对板
连接器提供扩展接口,拓展接口提供3.3V/2.5V/
1.8V 的可调电平且为差分布线,很好地满足本文
设计的需求。
1.3 信号采集模块
1.3.1
AD9279评估板
在 超 声 信 号 采 集 过 程 中,模 拟 前 端 (analog
front end,AFE)和模数转换器 ADC 是2个最关
键的模块,信号通过交流耦合从换能器中采集后,
通过 AFE 接 收 和 预 处 理 模 拟 超 声 信 号,ADC 将
AFE输出的模拟信号转换为数字信号[12]。本文系
统基于采集精度、同步性、通道数以及成本等方面
的考虑,采用 ADI公司生产的高速集成模拟前端模
块 AD9279,超声信号的放大、滤波、模数转换和低
压差 分 信 号 (low voltagedifferentialsignaling,
LVDS)串 行 传 输 等 过 程 均 在 AD9279 中 实 现。
AD9279支持8通道同步采集,其内部集成了8通
道可变增益放大器、低噪声前置放大器、抗混叠滤
波器、12bit80MSPS模数转换器和可编程相位旋
转的I/Q 解调器[13],可以在8个通道间实现精确的
时序同步。通过串行外设接口(serialperipheralin
terface,SPI)配置寄存器,从而控制各通道的增益系
数,确保8通道超声信号采集的同步性和可靠性。
1.3.2 AD9279 FPGA 连接板硬件设计
在 ADC将模拟信号转换为数字信号之后,需
要将数字信号传输至 FPGA 进行进一步处理。在
该过程中,最关键的问题是如何将 AD9279评估板
连接到 FPGA 开发板,使转换后的超声数字信号正
确的传输至 FPGA 以供后续处理。
3 实验结果
首先,对8通道同步数据采集功能进行验证,验
证实验如图8和9所示。
最后,对系统进行水下超声采集实验,验证系
统实际采集超声信号的能力。如图12所示,将2个
超声换能器置于水介质中,信号发生器产生电压峰
峰值Vpp 为1V、频率f 为3.5MHz的正弦波信号
连接至换能器 A,由换能器 A 发射超声信号,换能
器 B将接收到的超声信号转换为电压模拟信号后
输入至 AD9279的通道1中,最后将采集到的超声
信号传输至上位机进行重建。
图12 水下超声信号采集实验
重建后的超声采集信号如图13所示,可以看到
信号完整,无明显失真的情况,表明系统具有良好
的采集超声信号的能力。
信迈支持ARM+FPGA+AD定制。