基于FPGA的数字扫描变换器的设计Word文件下载.docx
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这就需要在经处理的信号与显示器之间插入一个数字扫描变换器,就是DigitalScanConverter,简称DSC。
本文系统地介绍了DSC在国内、外的发展情况，主要原理和常用的体系结构。
其中详细介绍了在B超中使用的一种基于FPGA的数字扫描变换器（DigitalScanConverter）的硬件设计系统和相关的时序控制方法。
在该系统中，我们主要应用了A/D转换技术，图象存储技术，以及D/A转换，构成一个基本的数字扫描变换器，并使用FPGA芯片控制时序，在数据流控制的处理上涉及“乒乓操作”。
整个系统具有开发简易、性能稳定和应用灵活等优点。
关键词：
数字扫描变换器；
A/D转换；
D/A转换；
乒乓操作；
现场可编程门阵列
DesignofDigitalScanConverterBasedonFPGA
Abstract：
ObtainedvideoinformationisgenerallydisplayedbydynamicimagingsystemofB-ultrasonicSystem.Suchdisplaydoesnotonlyreduceattainabledifferentiatedratio,butalsomaycauseglintbecauseoflowframefrequency.SoaDigitalScanConverterbetweenworkedinformationanddisplayneedstobeinserted，forshortDSC.
Inthispaper,theinternalandexternaldevelopmentofDSCisfullyintroduced,emphasisisplacedonthemainprinciples,andthenormalarchitecturesofDSC.Especially,thispaperdescribesindetailthehardwaredesignsystemsandassociatedtimingcontrolmethodsusinginBultrasoundofdigitalscanningconverter（DSC）basedonFPGA.Inthissystem,theA/Dconversiontechnology,imagestoragetechnology,andD/AconversionaremainlyusedtomakeupofaessentialDSC.MoreoverthispaperpresentsakindofFPGAchiptocontrolthetiming,andinthedataflowcontrolinvolvesthehandlingofthe"
ping-pongoperation"
.Thewholesystemhasthefollowingadvantageofeasyforexploitation,steadyperformanceandagilityforapplication.
Keywords:
Thedigitalscanconverter，A/Dconversion，D/Aconversion，
theping-pongoperation，fieldprogrammablegatearray
第1章绪论
1.1概述
1967年时B型超声显象仪问世，这是B型成像技术的重大进步。
70年代以后，以B型显象为代表的超声诊断技术发展极为迅速，特别是数字扫描变换器与处理器（DSC）的出现，把B型显象技术推向了以计算机数字图象处理为主导的、功能强、自动化程度高、图象质量好的新水平。
B型超声仪的工作原理与A型仪基本相同。
它是由主控电路、发射电路、接收电路（高频信号放大器、视频信号放大器）、扫描发生器、数字扫描变换器，图像显示器（电子枪、偏转系统、荧光屏）和换能器构成的。
主控电路又称同步触发信号发生器，它周期地产生同步触发脉冲信号，分别触发发射电路和扫描发生器中的时基扫描电路。
超声脉冲发射的重复频率是由它控制的，通常同步触发信号的重复频率就是超声脉冲发射的重复频率。
发射电路在受同步信号触发时，产生高频电脉冲激励换能器。
接收电路接收由人体受检组织反射的超声信息，有以下几个主要过程：
①对高频超声信号放大和对数压缩；
②对高频超声信号检波，转变为视频信号；
③对视频信号进行放大；
④把放大了的视频信号显示在显示器上。
换能器将回波信号转换成高频电信号后，被检波器检出的视频包络信号要经过视频信号放大器放大和处理，然后加到显示器的栅极进行亮度调制。
扫描发生器产生扫描电压，使电子束按一定的规律扫描，在显示器上显示出切面图像。
超声回波信号的显示是通过显示器件来实现的，常见的显示器是阴极射线管（CRT）。
阴极射线管有静电式（示波管）和磁偏转式（显像管）两种，两者的基本结构相同，主要区别是前者采用电场偏转，而后者采用磁偏转系统。
电子枪的作用是发射高速且很细的电子束。
偏转系统的作用是控制电子束，使其随外加电压的变化而偏转[1]。
早期B超没有数字扫描变换器,它将接收到的回声信号经前放、补偿、对数放大、检波等模拟处理后,直接加到阴极射线管（CRT）上显示。
这种方式存在以下缺点：
①分辨率低；
②易发生闪烁现象；
③不能冻结图像和进行电子测量及自动计算等功能。
数字扫描变换器（DigitalScanConverter），简称DSC，就是对图象进行处理，得到更高质量图象，其主要原理如下：
超声诊断设备为了得到具有诊断信息的超声回波，换能器所发射和接收超声的方向位置必须进行控制。
为了将超声扫查所获得的回波信息显示出来，而且人眼观察这种实时图像也不要有闪烁感，在超声扫查与TRC显示器之间插入一种图像存贮器，超声回波的视频信号能够实时地、数字式地存入到图像存贮器中，并且同时从图像存贮器中不断地取出图像信号信息到显示器去显示，这样就不会发生闪烁现象了。
存入图像存贮器的速度将与超声扫查相同步，而读出图像信息的速度可以适当提高（通常以TV扫描速度读出与显示），这样就可使显示的图像稳定而无闪烁，这种技术就叫做数字扫描变换技术。
所以，通过数字扫描变换器，就可以对现代医学超声波信号进行扫描格式的变换,使之可以在CRT上显示。
同时又为数字图像处理和图像冻结、电子测量计算以及计算机联网提供了条件,只有数字图像处理才得到高质量的图像。
数字图像处理一般称为后处理。
后处理种类很多,大致可归纳两种:
像素亮度后处理和像素空间后处理。
前者包括：
①γ校正；
②非线性视觉校正；
③数字压缩；
④灰阶变换。
像素空间的处理包括:
①变焦读出；
②图像反转；
③图像平滑；
④自动阈值[2]。
具体B型超声诊断仪的结构大致如下图所示：
图1-1B型超声诊断仪组成结构
超声的传播速度快，成像速度快，每次扫描即产生一幅图像，快速地重复扫描。
产生众多的图像组合起来便构成了实时动态图像。
因而能够实时地观察心脏的运动功能、胎心搏动，以及胃肠蠕动等。
此外，B型超声尚具操作简便，价格便宜、无损伤无痛苦，适用范围广，诊断剂量的超声波，除对早期胚胎尚待进一步研究之外，对一切其他器官的诊断应用，应该是安全的等特点，与其他物理方法，如激光、X射线相比，超声波的波长与生物组织细胞及小器官大小相当，故超声波与组织的相互作用主要是发生在细胞级水平上，细胞是体现组织特性的基本单位，因此超声波与生物组织的相互作用信息，要比x射线等丰富得多，其临床应用价值也大得多。
因而已被广大患者和临床医师所接受。
1.2国内外研究现状
超声诊断技术在我国始于1958年，首先在上海用于临床，60年代初，上海、武汉等地开始批量生产A型超声诊断仪，并在全国范围内迅速推广;
70年代相继研制和生产出M型超声诊断仪、连续多普勒超声诊断仪、电子线阵式、相控阵式及机械扇型扫描式B超等多种诊断设备。
近10年来，在改革开放与引进国外先进技术的形势下，我国的超声诊断设备生产水平取得了很大进步。
目前我国己拥有各种档次的超声诊断设备，但其中有大部分依赖进口。
而且传统的模拟B超诊断仪存在着成像分辨力不高，图像不易保存等缺点。
有时为了确诊往往需要用摄像机或其他手段将所成的像摄下来再传到计算机上进行图象处理，显然比较麻烦。
针对以上缺点对B超诊断仪进行全数字化的工作，并利用计算机强大的计算能力及现代图象处理的方法来提高超声成像的质量不仅具有迫切的现实意义，而且具有很重要的理论价值。
随着DSC技术的不断发展，新一代的数字扫描技术（DSP）的超声成像和全数字化超声系统投入临床应用，会把超声诊断推向更高的水平。
国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/DTECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。
国外已把100MHZ以上采样频率的高速A/D技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现A、B、C扫描。
虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。
近10年来，随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科技的迅速发展和临床诊断和治疗的需求，使图像质量和分辨率越来越高，超声诊断范围和信息量不断扩充。
由于其损伤性小，电离辐射轻，价格低廉，易被患者所接受，目前已成为发展最快的成像技术。
世界上的超声诊断设备生产国有美国、日本、德国、澳大利亚、意大利、丹麦、韩国和中国。
美国、日本生产的超声诊断设备占世界超声诊断设备的70％。
1995年世界超声诊断设备市场达20亿美元。
仅1998年我国即进口超声设备2242．l万美元，出口超声设备2163．3万美元。
超声成像设备大致可分为通用型、心脏科和小器官／血管用等三类。
不难看出超声诊断设备的需求量很大，特别是中、高档超声诊断设备。
目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。
国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。
1.3选题目的及意义
B型超声众多优点：
它将从人体反射回来的回波信号以光点形式组成切面图像。
此种图像与人体的解剖结构极其相似，故能直观地显示脏器的大小、形态、内部结构，并可将实质性、液性或含气性组织区分开来。
超声的传播速度快，成像速度快，每次扫描即产生一幅图像，快速地重复扫描。
此外，超声诊断具有安全、方便、无损、廉价等优点[3]。
数十年的临床实践及大量的实验动物研究、流行病学研究表明，诊断剂量的超声波，除对早期胚胎尚待进一步研究之外，对一切其他器官的诊断应用，应该是安全的。
与其他物理方法，如激光、X射线相比，超声波的波长与生物组织细胞及小器官大小相当，故超声波与组织的相互作用主要是发生在细胞级水平上，细胞是体现组织特性的基本单位，因此超声波与生物组织的相互作用信息，要比x射线等丰富得多，其临床应用价值也大得多。
超声诊断技术的优越性还在于它选用诊断参数的多样性及其在工程上实现的灵活性。
就目前己应用（或试用）于临床的超声诊断技术，己有波形法、二维图像法、多普勒法、全息法、CT法及三维成像法。
尚在研究之中的，则有非线性参数成像、背向散射回波谱分析特征参数的提取、低频振荡法、表面波成像及血流矢量成像等等，为超声诊断技术展示出十分广阔与五彩斑斓的发展远景，随着计算机技术和数字图像处理技术的飞速发展，数字扫描变换器在B超仪中有了成功应用，采用DSC技术后的B超仪，不仅能用标准电视的方法显示清晰的动态图像，而且提供了强大的图像处理功能。
比如说，实现图像的冻结，多帧储存、数据的测量计算、图像的扩大显示等等。
目前国内市场上的数字化B超诊断仪由于自身平台、超声数据处理和超声成像实现技术的限制，在处理速度、机器性能、稳定性、成像质量和功能扩展方面都有很多地方可以改进。
因此，开展该项技术——数字扫描变换器的设计的研究，进行如何提高图象显示的速度和准确度，消除剧烈的闪烁进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一项具有现实意义的课题，它可提高我国B超成像技术水平，跟上世界先进的现代医学技术步伐，使我国超声波水平上一个台阶。
1.4本课题研究内容和本论文主要工作
本着立足自身、立足现实，努力提高自身技术，向国际先进技术进发的原则，本课题准备针对现在国内数字化B超诊断仪由于自身平台、超声数据处理和超声成像实现技术的限制，在处理速度、机器性能、稳定性、成像质量和功能扩展方面都有很多不足这些缺点，着力进行数字扫描变换器的开发，希望能得到一种新型的、操作方便的、技术含量高的扫描变换。
它能与现有市场上的B型超声诊断仪兼容，但具有更好的数字图象处理能力，更方便的操作，能提高图象显示的速度和准确度，消除剧烈的闪烁，达到比较稳定的效果，为未来B超发展打下基础。
本文从B型超声诊断仪原理及全数字B型超声诊断仪设计入手，着重描述了数字扫描变换器的原理，结构，使用意义，并深入介绍了各种B型超声诊断仪的数字扫描变换器的硬件结构，并结合FPGA开发平台，得出了一种基于FPGA的数字扫描变换器的设计方法，通过各种参数选择，确立具体芯片完成各个结构功能，在Protel平台上绘制原理图，并导入，制成PCB板。
由于FPGA在这个设计中作用很重要，主要完成对各个芯片的控制，所以我们又编制了控制程序，主要有对A/D逻辑控制，A/D逻辑控制，在图象存储方面，我们主要涉及乒乓操作对图象信息的存取控制，完成图象数据的存储和读取。
最后根据程序得出仿真图，验证设计结果。
第2章数字扫描变换技术
2.1数字扫描变换器的基本概念
在B型和M型超声诊断设备中，为了能把回波的视频信号直接映射到CRT显承屏上（以亮度调制的方式），CRT的光点偏向应时刻跟随回波源。
从原理上讲，这种直接显示法是最简单、也是最忠实的方法。
但在这种超声显象设备中有一个重要的因素要考虑，这就是速度。
超声在人体软组织中的传播速度为1540m／s换能器发射超声脉冲到接收到20cm深处的回波信号约需260us。
考虑到CRT时基扫描的回扫时间，显示一次超声扫查的时间需300ns以左右。
为了使显示的图象具有可视性，每幅超声图象需由100条以上的超声扫查线组成，于是完成—幅图象需30ms以上，人眼观察这种实时图象将会有闪烁感。
对来回摆动显象的机械扇扫B超仪，这种闪烁感特别严重。
在超声扫查与CRT显示器之间，如果插入一种图象存贮器，超声回波的视频信号能够实时地、数字式地存人到图象存贮器中，并且同时从图象存贮器中不断地取出图象信息到显示器去显示，则事情就会发生根本性的变化。
存入图象存贮器的速度将与超声扫查相同步，而读出图象信息的速度可以适当提高（通常以TV扫描速度读出与显示），这样就可使显示的图象稳定而无闪烁感。
这种用数字方式、以不同速率来存人和读出图象信息方法完成了从超声扫查到显示扫描的变换，人们常称这种技术为数字扫描变换技术（DigitalScanConverter），简称DSC。
完成这一变换的电路部件称为数字扫描变换器。
DSC技术的引入，使超声诊断设备产生了质的飞跃[4]。
由于超声扫查与显示扫描之间是互相独立的，不管超声扫查的形式及其速度如何，所显示的图象都将是没有闪烁感的，并可保持图象的高质量。
DSC使得要保持某一幅图象静止而不变（冻结）成为可能，另外也使图象处理、图象数据的测量、通过设备的接口与外部进行图象数据的交换成为可能。
2.2数字扫描变换器的基本组成结构
DSC部分大体又可以分为三个部分,即信号通道部分,字符框标部分和控制部分。
信号通道主要是将回声信号数字化后,进行数字转换、存贮、处理;
字符框标部分主要是显示各种诊断需要的字符、框标及刻度等;
控制部分为这两部分提供各种各样所需的控制信号,同时,在控制信号的作用下,还将两部分协调叠加起来。
具体来说，现在，每种数字扫描变换器已无例外地使用A／D和D／A转换器，其间插入半导体数字存贮器来组成。
下面我们将根据需要，设计一种能实现基本功能的数字扫描变换器，并通过FPGA的配置编程完成时序控制。
数字扫描变换器的“变换”二字主要包括两个含义：
一是扫描格式的变换．二是扫描速度的变换。
起过程是超声回波信号以某种格式写入图象存贮器，然后按标准的电视图象制式读出送TV监视器显示。
由于采用普通TV监视器作为超声图象的显示装置，它具有亮度高、动态范围大、显示面积大等优点，同时也有利于超声显象系统显示与记录装置的标准化。
另一方面，回波信号以较慢的速度写入图象存贮器，却可以用较高的速度读出并显示。
在这过程中不仅完成了扫描制式的变换，也完成了扫描速度的变化。
数字扫描变换器位于信号接收电路与TV监视器之间，如图2-1所示。
图2-1数字扫描变换器在B超中的位置
B型超声的扫查方式主要分为线阵和扇形（含凸阵）方式。
根据扫查方式的不同,DSC的结构也有一定的差异。
下面我们分别分析在这两种扫查方式下,我们的数字扫描变换器各部分的结构和功能。
2.2.1线形扫查方式的DSC结构
线阵扫查方式的DSC原理比较简单。
其探头中的阵元按顺序发射相接收超声波。
这些超声扫查线对应图象存贮器的列地址，每条扫查线上的样本点对应图象存贮器的行地址，采样值按列依次写入图象存贮器的行地址，显示时按行依次从存贮器中读出各个数据。
所以，从这个过程中可以看出线阵式线性扫查所得到的超声声象图应该是一个矩形图象。
线形扫查方式的数字扫描变换器的基本组成主要是由A/D转换器，图象存储器和D/A转换器构成，其中图象存储器是数字扫描变换器的核心部分，主要完成扫描格式的变换和扫描速度的变换，更有意义的是现代电子技术可以很容易地将存贮器中的图象冻结并进行备种各样的图象后处理工作。
其组成由下图所示，现在我们将仔细分析各个部分的主要功能和组成结构及选择模式。
图2-2数字扫描变换器的结构
1、A/D转换器
能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模-数转换器（AnalogtoDigitalConverter），简称为A/D转换器。
由于在超声接收电路中，我们接收到的是带不同幅度的模拟的脉冲信号，但是我们在图象存储中，我们却是使用的数字存储方式，所以DSC的第一个部件就必须是A／D转换器，它完成从模拟系统到数字系统的接口，以便于进入图象存储器中处理。
目前的A/D转换器种类繁多,我们主要选择高速的模/数转换器,其采样频率通常为几MHZ到几十MHZ,其转换精度通常为6～8位,精度提高时,图象存储器的容量及图象信息传送电路（即通道宽度）,也相应增加。
所以我们在设计中,要选择合适的A/D转换器,达到兼容精度和存储器容量，使效率更好。
2、图象存储器
从使用功能角度看,半导体存储器可以分为两大类:
随机存储器RAM（RandomAccessMemory）只读存储器ROM（ReadonlyMemory）。
根据工作原理和条件不同,RAM又分别称为静态读写存储器SRAM（StaticRAM）和动态读写存储器DRAM（DynamicRAM）。
ROM主要有可电擦除可编程的EEPROM,在EPROM和EEPROM芯片技术基础上发展起来的快擦写存储器FlashMemory、利用铁电材料的极化方向来存储数据的铁电读写存储器FRAM。
图象存贮器是一个大容量半导体存贮器，通常可存入128～256k个象元，这只有在16k以上容量的半导体存贮器大量生产的70年代后期以后才能实现。
前些年，出于价格和功耗等原因，图象存贮器都使用动态随机存取存贮器（DRAM）。
近来．大容量的静态随机存取样贮器（SRAM）的价格和功耗都急剧下降．为了简化时序等电路．近年来尤其现在,越来越多人开始使用SRAM作为图象存贮器[5]。
根据扫查方式的不同,DSC原理也有一定差距。
在本次设计中,我们选择的是线形扫查,其探头中的阵元按顺序发射相接收超声波。
这些超声扫查线对应图象存贮器的列地址，每条扫查线上的样本点对应图象存贮器的行地址，采样值按列依次写入图象存贮器的行地址、显示时按行依次从存贮器中读出数据。
根据上述原则，在这里我们决定选择SRAM作为图象存储器,考虑到在多时钟系统中，显示输出部分的时钟与数据采集及写入存贮器的时钟不一致，容易发生矛盾。
另外，不同国家显示制式的不同也会加剧这一矛盾。
为使DSC系统成为一个相对独立的模块以适应不同情况的要求，我们选择两片SRAM共同作用的乒乓操作方法来存储和读取图象数据,提高工作效率。
即图象存贮器由两页（page0，page1）组成，交替进行读写操作，如图2-3所示。
图象存贮器的读取时间要小于80ns,这样肉眼观察才不会有剧烈闪烁。
读和写分别采用不同时钟。
图2-3乒乓操作
这样通过乒乓操作,就可以使输入数据流与输出数据流均是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合进行流水线式处理，完成数据的无缝缓冲与处理,并且能有效的节约缓冲空间。
数据存入主存贮器后，可以采用多种读出方式，从而实现不同的显示方式。
比如对扫查获得的超声数据实时写入，按TV格式读出显示，即可得到实时显示的图像；
若对读出的两像素点间线性插入像素点，则可获得放大的图像显示；
改变选定的读出数据范围，还可以使显示区域在探测深度方向作视野移动。
如果停止存贮器的写入，并对己存贮的一帧图像数据重复不断地读出，则在荧光屏上得到的将是一幅静止的回声图像，这种显示方式就是所谓的“冻结”方式。
而这些读出方法的选择主要是根据FPGA可编程逻辑器件，通过不同配置，用不同的程序，改变FPGA的逻辑结构，以实现不同的功能。
在本次设计中，我们主要是对扫查获得的超声数据实时写入，按TV格式读出显示，得到实时显示的图像，其中在数据流方面涉及到乒乓操作的时序控制。
3、D/A转换器
与前面所述的A/D转换器一样,由于我们的数字扫描变换器的输出信号将送到TV显示电路处理和显示,但是,显示时是用的模拟信号,而图象存储器读出的信号是数字信号,所以经过一个D/A转换过程是必要的,这样才能形成模拟全电视信号。
其中,由于现在的数/模转换器种类很多,所以我们要慎重选择合适的D/A转换器时,如我们一定要选择转换速度很快的转换器,才能达到我们设计需求,得到实时图象，而且必须要与所选的图象存储器相匹配,比如我们选用8位数据图象存储器,那么在设计中
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