DSP和USB总线的高频超声数据采集系统

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引言

　　超声医学即利用超声波的物理特性进行诊断和治疗的一门影像学科，其临床应用范围广泛，目前已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。
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) o& d- W3 g5 W& k9 ?0 V2 m: [　　本系统是一个便携式软组织超声诊断仪的一部分，主要功能是高频超声信号采集。其工作机制，是在前端低频脉冲(20Hz~10KHz)的触发下，对由超声换能器产生的高频超声信号(1MHz~20MHz)进行采集，预处理，然后通过USB总线传输给PC机，由软件进行分析、处理。
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" n; v+ z& E# D1 Y% h8 B' z　　在本设计方案中，高速cpld芯片作为数据采集系统的核心部分，相比传统的mcu+ADC方法，CPLD是用硬件信号而不是软件编程来控制 ADC，从而在速度上有很大的优势。而目前强大的VHDL编程语言也使得CPLD能很容易地实现预想的功能逻辑。数据处理部分，选用数据处理功能强大、处理速度高的DSP芯片作为CPU。而在与上位机通信方面，采用支持即插即用且成本也相对较低的USB接口。整体系统方面，各个子系统之间的数据传输和同步问题是技术难点。在经过反复比较和测试之后，采取高速存储器作为数据缓冲区的方案。
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+ M# F- d  s$ M0 a, x8 E$ {系统各组成模块

; }8 A5 F9 w' c0 ?9 z　　系统组成框图包括三个子系统：CPLD子系统，DSP子系统和USB子系统。其中，CPLD+ADC实现数据采集，DSP则负责数据处理，两者之间通过一片高速RAM来交换数据；USB芯片(AN2131Q)负责把数据通过USB线上传给主机，它和DSP之间通过一片锁存器进行通信。
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  n- w) S7 E% ?数据采集子系统(CPLD子系统)
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9 k. h3 {. c* D$ Q! P$ x4 z/ y0 P　　该子系统主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所组成。
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　　由于要采集的超声信号最高频率为20M，根据Nyquist定律，采样频率应该在40MHz以上，为了提高精度，系统采用了ADI公司的AD9283芯片。该芯片最高工作频率为100MHz，经过测试，可很好地满足系统带宽要求。
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　　以往的便携式数据采集系统中，下位机部分ADC-RAM模块往往采用MCU作为CPU来控制，因此，采集频率直接受到MCU速度的制约，而且和 RAM存储器的同步也成为问题。经过比较，本系统采用Altera公司的CPLD芯片来控制ADC和RAM，从而很好地解决了时序精度和同步的问题。
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5 V& x& y5 |6 A0 v　　CPLD作为控制芯片，实现的功能逻辑为：
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　　● 接到DSP触发信号(START)之后，实现对ADC的控制，发出一个Start信号，ADC开始采样工作；

. V0 T) ?! G) [2 d& t　　● 与ADC控制信号同步提供RAM地址计数器(A0~A16)和写信号(/WE)，使得每次ADC的结果直接存入RAM并且自动增加地址；

0 n; c* J6 A- S# ~　　● 当地址计数器达到最大的时候,发出中断信号(RAM_FULL)，提示DSP系统RAM已满；
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$ C, ?* ]/ h* R( K3 Q( X3 o5 q0 e　　CPLD的功能逻辑用VHDL语言实现，其编译、仿真和综合采用Altera官方主页提供的MAXPLUXII Student10.1版，下载电缆自制。

; p7 F! L9 I) l6 m, c数据处理子系统(DSP子系统)
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　　由于系统在后期升级中，要求对下位机部分的数据进行较为复杂的预处理，同时系统在实时性方面要求较高。因此选用TI公司的TMS320C5409作为数据处理子系统的CPU。
3 p9 P5 }5 f6 o7 S; M- d& S4 M! A　　DSP子系统的主要工作流程为：

　　1)接到Trigger(由前端换能模块发出)中断(INT0)触发后，拉高START信号通知信号采集模块开始工作,然后进入等待；
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　　2)接到RAM_FULL中断(INT1)之后，知道RAM已经写满，首先将START信号拉低停止CPLD和ADC。然后开始逐个读RAM中的数据，根据系统要求做相应处理，之后借助锁存器发给AN2131Q；

6 T) z0 ]9 [% R& M! Z6 ?　　3)在本系统中，DSP软件部分的几个函数体包括：主循环；int0中断(前端触发)；int1中断(RAM已满)。

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CPLD子系统，DSP子系统和USB子系统

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高频超声信号采集