釋放開源評估平臺的潛力，制作超聲發(fā)射子系統(tǒng)的原型

摘要

本文討論了開發(fā)先進(jìn)超聲設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)。利用現(xiàn)有評估平臺既可降低系統(tǒng)開發(fā)成本，也可縮短超聲系統(tǒng)發(fā)射模塊的特性測試時(shí)間。本文介紹了如何同步多個(gè)通道的分步過程，這是波束控制的一個(gè)關(guān)鍵概念，也是醫(yī)學(xué)成像所特有的概念。

引言

在任何新技術(shù)開發(fā)過程中，在將新型號或下一代超聲設(shè)備商業(yè)化之前，制造商都會經(jīng)歷硬件開發(fā)和測試以及系統(tǒng)集成和驗(yàn)證等階段。開發(fā)高通道數(shù)成像超聲子系統(tǒng)預(yù)計(jì)需要多年的努力。此外，在對系統(tǒng)考慮因素知之甚少的情況下貿(mào)然開始波束引導(dǎo)或發(fā)射子系統(tǒng)的硬件原型制作，可能會導(dǎo)致硬件原型需要多次修改，帶來高昂的成本。現(xiàn)在，開發(fā)人員可以使用一個(gè)完整系統(tǒng)（原型板和開源軟件）來模擬超聲設(shè)備子系統(tǒng)的操作，從而降低超聲設(shè)備制造商的開發(fā)成本并加快上市時(shí)間。

基于Arduino的TxDAC®評估板和開源Mbed軟件

圖1.支持Mbed的AD9106評估平臺。

AD9106-ARDZ-EBZ評估平臺兼容基于Arm®且支持Mbed的電路板（如SDP-K1），并且可以連接到Arduino Uno接頭。該評估設(shè)置只能由USB供電，無需高頻波形發(fā)生器來提供時(shí)鐘輸入。該評估板默認(rèn)使用板載156.25 MHz晶振作為時(shí)鐘源，但提供了外部時(shí)鐘選項(xiàng)。DAC輸出可以通過變壓器耦合，或使用板載放大器進(jìn)行評估，這是唯一需要7 VDC至12 VDC 30 W AC-DC適配器的情況。參見圖1。

除硬件之外，評估板網(wǎng)頁上還提供了示例開源代碼，可用作開發(fā)目標(biāo)應(yīng)用固件的起點(diǎn)。評估板和示例源代碼可以根據(jù)需要加以定制，以便與其他Mbed平臺配合使用。新的評估系統(tǒng)可以輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，因而簡化了原型制作。

圖2.AD9106功能框圖。

評估板安裝有四通道、低功耗、12位、180 MSPS、TxDAC AD9106和波形發(fā)生器。該DAC的高采樣速率非常適合1 MHz至40 MHz范圍內(nèi)的超聲工作頻率，外部成像設(shè)備通常使用1 MHz至15 MHz的頻率，而靜脈內(nèi)心血管設(shè)備使用高達(dá)40 MHz的頻率。此外，AD9106高度集成，具有用于生成復(fù)雜波形的片內(nèi)模式存儲器，以及使用24位調(diào)諧字、支持10.8 Hz/LSB頻率分辨率的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。該器件也是高度可編程的，四個(gè)DAC通道中的每個(gè)通道的模式周期、啟動(dòng)延遲、增益和偏移都可以獨(dú)立改變。此外，它具有低功耗特性（在3.3 V、4 mA輸出和180 MSPS下，每通道功耗78.8 mW，總計(jì)315.25 mW），這是超聲設(shè)備等大型多通道系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素。

提高超聲設(shè)備的精度和圖像分辨率

圖3.醫(yī)療超聲前端信號鏈。

推車式超聲系統(tǒng)在圖像質(zhì)量或分辨率方面優(yōu)于手持設(shè)備，主要是因?yàn)橥ǖ罃?shù)量差異巨大。然而，通道數(shù)量可能因制造商而異。成本和功耗是超聲設(shè)備等大型系統(tǒng)的重要考慮因素，因此業(yè)界使用了一些技術(shù)來盡量減小這兩個(gè)因素。在圖3所示的典型超聲信號鏈中，如果我們考慮到每個(gè)發(fā)射器路徑（DAC + 高壓放大器，驅(qū)動(dòng)探頭尖端處換能器陣列中的一個(gè)元件）都對應(yīng)一個(gè)接收器路徑（集成模擬前端），那么通道數(shù)的確定相對簡單。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，我們可以說超聲系統(tǒng)中的通道數(shù)介于16到256之間。高端系統(tǒng)（其中大部分推車式）中的通道數(shù)為64或更多。對于便攜式、中低端系統(tǒng)，16至64個(gè)通道更為常見。

圖4.波束引導(dǎo)和聚焦。

在超聲系統(tǒng)的發(fā)射器路徑中，聲能或聲波束掃過身體。聲波由探頭前端處的壓電換能器元件從電信號轉(zhuǎn)換而來。如圖4所示，每個(gè)電信號或發(fā)射器信號的相位和幅度均經(jīng)過編程，引導(dǎo)入射能量束沿著一條線進(jìn)入身體。從器官組織反射的聲波被換能器元件再次轉(zhuǎn)換為電能。目標(biāo)的位置或距離將根據(jù)換能器陣列中元件之間的時(shí)間延遲顯示在屏幕上。因此，為了顯示人體內(nèi)部的準(zhǔn)確圖像，同步或者說能夠控制發(fā)射器信號之間的延遲至關(guān)重要。

多芯片同步的要求

為了成功同步多個(gè)DDS DAC（如AD9106），必須控制差分時(shí)鐘輸入（CLKP和CLKN）和TRIGGER引腳的下降沿。

圖5.建議時(shí)鐘分配布局（左）和次優(yōu)布局（右）。

為了滿足同步的第一個(gè)要求，PCB布局應(yīng)采用謹(jǐn)慎的時(shí)鐘分配做法。參見圖5。這將充分減少REF CLK邊沿之間的相位差（它會導(dǎo)致DDS輸出處出現(xiàn)成比例的相位差）。

模式生成由AD9106的TRIGGER引腳的下降沿觸發(fā)，因此同步的下一個(gè)要求是確保TRIGGER邊沿一致。圖5中的布局技術(shù)也可應(yīng)用于從控制器的數(shù)字輸出布線到每個(gè)AD9106器件的TRIGGER PCB走線。

利用AD9106-ARDZ-EBZ評估多芯片同步

為了評估多個(gè)AD9106 DAC的同步，可以使用兩個(gè)AD9106評估板和一個(gè)SDP-K1控制器板。

圖6.多個(gè)AD9106器件同步的系統(tǒng)示意圖（簡化示意圖，未顯示所有連接）。

材料

兩個(gè)AD9106-ARDZ-EBZ板

用于電路板與PC連接的USB電纜

SDP-K1

一個(gè)12 V壁式電源適配器

信號發(fā)生器

可變長度SMA端接電纜

一個(gè)SMA端接T型分路器

母對母Arduino連接器導(dǎo)線

硬件設(shè)置

連接三個(gè)電路板之前，配置兩個(gè)AD9106-ARDZ-EBZ板，使DAC輸出連接到板載放大器，并且DAC時(shí)鐘由連接到J10的外部源提供。關(guān)于JP1和JP2的正確連接，請參閱Eval-AD9106 Wiki用戶指南中的圖14b。另外，請?jiān)O(shè)置其中一個(gè)AD9106-ARDZ-EBZ板，使板上器件的CSB引腳連接到交替GPIO引腳（安裝R39而不是R38）。確保SDP-K1的VIO_ADJUST設(shè)置為3.3 V。

然后將高頻波形發(fā)生器的輸出連接到分離式SMA端接T形分路器，它可以連接不同長度的SMA端接同軸電纜。

圖7.為實(shí)現(xiàn)同步而建議采用的時(shí)鐘輸入和TRIGGER引腳連接。

接下來應(yīng)設(shè)置圖7所示每個(gè)板的時(shí)鐘輸入和TRIGGER引腳的連接，然后設(shè)置表1中的其余連接。將板1安裝到SDP-K1 Arduino Uno端口，然后將板2放置在與板1成180°的位置，以使兩個(gè)板的TRIGGER引腳并排放置。這是TRIG2到SDP-K1數(shù)字輸出的最短連接，由此TRIG1和TRIG2路徑大致相等。

圖8.實(shí)際設(shè)置。

應(yīng)用了所有連接的實(shí)際設(shè)置如圖8所示。表1總結(jié)了板對板連接。

表1.SDP-K1和兩個(gè)AD9106-ARDZ-EBZ板的板對板連接

軟件

我們提供了在Mbed開源軟件上開發(fā)的示例源代碼。對這些源代碼的詳細(xì)說明參見wiki頁面，開發(fā)者稍加修改即可通過SPI對兩個(gè)評估板上的每個(gè)器件進(jìn)行獨(dú)立編程。寄存器值以及代碼的其他部分可以輕松定制，具體而言是示例3中的寄存器值（DDS生成的正弦波，具有不同的啟動(dòng)延遲和數(shù)字增益設(shè)置。修改代碼后，使用Mbed在線編譯器編譯程序。然后將生成的二進(jìn)制文件拖放到SDP-K1驅(qū)動(dòng)器中。同樣的過程也適用于其他應(yīng)用。

說明

如圖6的簡化圖所示，器件間的輸出同步是通過測量多個(gè)器件的同一DAC輸出通道（即通道1）之間的延遲來實(shí)現(xiàn)的。相對于TRIG1（控制器板到板1）改變TRIG2（控制器板到板2）的連接器長度，以及相對于時(shí)鐘1（時(shí)鐘發(fā)生器到板1）改變時(shí)鐘2（時(shí)鐘發(fā)生器到板2）的連接器長度，這兩種情況對同步的影響可以使用示波器進(jìn)行觀察。

結(jié)果

圖9記錄了改變觸發(fā)連接器長度時(shí)的測量結(jié)果，而圖10記錄了改變時(shí)鐘連接器長度時(shí)的測量結(jié)果。

圖9.不同TRIG2連接器長度下板1和板2的OUT 1之間的延遲。

如果TRIGGER引腳所連接的數(shù)字輸出具有與STM32F469NI（SDP-K1上的微控制器）類似的驅(qū)動(dòng)特性，那么TRIGGER走線容差只要在5英寸以內(nèi)，就能維持器件間同步。

圖10.不同時(shí)鐘2連接器長度下板1和板2的OUT 1之間的延遲。

匹配的時(shí)鐘輸入走線將導(dǎo)致最短的器件到器件的輸出延遲，但根據(jù)特定系統(tǒng)中可容忍的延遲，可以相應(yīng)地調(diào)整時(shí)鐘走線長度容差。

結(jié)語

在超聲設(shè)備制造中，利用AD9106評估平臺提供的設(shè)計(jì)靈活性和定制優(yōu)勢可以縮短開發(fā)流程和上市時(shí)間。無需設(shè)計(jì)新的發(fā)射子系統(tǒng)原型即可評估多個(gè)發(fā)射DAC（如AD9106）的同步。通過使用兩個(gè)AD9106-ARDZ-EBZ板、一個(gè)SDP-K1控制器板并對示例Mbed代碼進(jìn)行少量修改，就能實(shí)現(xiàn)對同步的評估。