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工装电路波形基于单片机及CPLD的B超检测工装设计

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引言

  超声在人体内传播,由于人体各种组织有声学的特性差异,超声波在两种不同组织界面处会产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪,采用各种扫查方法,接收这些反射、散射信号,显示各种组织及其病变的形态,结合病理学、临床医学,观察、分析、总结不同的反射规律,从而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。B超是超声诊断仪中的一种显示模式。

  B超工作过程为:当探头获得激励脉冲后发射超声波(同时探头受聚焦延迟电路控制,实现声波的声学聚焦),经过一段时间延迟后再由探头接收反射回的回声信号,经过滤波、对数放大等信号处理。然后由DSC电路进行数字变换形成数字信号,在CPU控制下进一步进行图像处理,再同图像形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器,形成我们所熟悉的B超图像,也称二维黑白超声图像。

  由于B超中为了增强图像分辨率,通道都比较多,大多是16、24、48、64甚至更多通道。这些通道电子元器件完全一样,要求各通道的一致性要好,在装整机前,最好有测试手段和方法,对所有通道能进行测试,以去除器件本身和焊接电路板中出现的问题,基于此目的,本人设计了B超检测工装。

工装设计需求

  本工装设计要求为24通道、探头为96阵元的B超板AFE9624进行测试,AFE9624包含高压发射电路、继电器切换、高压模拟开关切换、前放电路和VGA电路。

  发射工装要求

  高压发射电路、高压模拟开关电路、继电器切换电路测试,这几者必须同时进行检测,要设计发射工装板、继电器控制测试电路、高压模拟控制电路、探头接口高压波形测量电路。具体包括:高压发射电路工装(简称发射工装),1~24通道的发射驱动及切换电路;高压模拟开关控制电路工装(简称开关工装),控制任何一个通道的开通或者关断,实际使用时只控制某一个通道的开通,其他的通道关断,相应地发射控制也只开通对应的一路,其他的驱动设置为无效;继电器控制测试工装(简称继电器工装),提供继电器组开通或关断的控制信号;探头接口的波形测量电路工装(简称探头波形工装),包含96~1的切换电路,使得得到发射的阵元位置波形可以切换到示波器显示测量出来。

  接收工装要求

  VGA测试:VGA测试主要验证放大电路的功能和准确性,需要提供给每一路VGA模拟输入信号,并通过示波器检测。通过探头接口可以将测试信号施加进去,但是必须要对高压模拟开关进行相应控制,使得每一路VGA获得准确的输入。具体包括:波形发生器工装,提供96路的模拟正弦波形,频率3.5MHz,幅度P-P 在1V~1.2V,可实现负载短路保护,允许有几十欧姆的输出阻抗;高压模拟开关控制及VGA增益控制工装(简称开关增益工装),提供AFE9624上高压模拟开关电路的控制信号,并提供VGA的增益控制信号,增益控制信号可以是锯齿波,幅度值最低应大于0.2V,最大值应不大于2.5V,锯齿波周期为50µs。

硬件电路设计

  图1所示为发射、接收工装设计电路中主控部分原理图。其中,发射部分原理图见图2,接收部分原理图见图3。需要注意的是,发射和接收有一部分电路是共用的。这3个电路主要包括用于控制自动检测的微处理器AT89S52,用数码管前2位显示探头00或01,即PROBE A或PROBE B。数码管后2位显示1~96,即1~96通道。Alter公司的CPLD(EPM7064)用于产生周期20ms、脉宽330ns的2个方向相反、有死区时间的脉冲,用于发射通道的发射波形。工装板用了18个8通道高压开关HV20220,其中6个用于控制双1~24通道数字开关切换电路,其余的12个用于探头96个阵元选1的切换。发射和接收的控制回路基本一样,需要改变的是2个双刀双掷开关S1、S2的拨动方向,接收工装的发射波形是正弦波,由函数发生器芯片MAX038产生。本设计留有单片机AT89S52与上位机的通讯接口,可以通过上位机编程,利用图形界面控制本工装,只需软件编程即可。本文采用上电自动检测和手工检测这两种模式,没有使用上位机控制模式。

图1 发射、接收工装设计电路中主控部分原理图

  发射和接收工装都需要把发射波形或接收波形经过控制后,通过转接线JP3~JP7及JP10和需要检测的实际B超板相接,来检测B超板(图1~图3中未给出JP3~JP7及JP10连接线的插座)。

  发射工装设计

  图1中,U1(7400)与非门电路和12MHz晶振组成晶体振荡器,给EPM7064的全局时钟端43脚提供时钟信号。EPM7064的21脚和25脚输出周期20ms、脉宽330ns、带660ns死区时间的2个方向相反的脉冲信号,经同向放大器U21(74F07)驱动后得到IPA和INB,加到双刀双掷开关S1上(在图2中,S1此时需拨到发射位置)。IPA经S1加到U3、U4、U5这3个高压开关HV20220上,3个高压开关的所有输出都接在了一起,而且这3个高压开关接成菊花瓣形式,即下一个开关的数据输入端DIN,接前一个开关的数据输出端DOUT。在微处理器AT89S52的控制下,给出SDATA1, SCLK1, SLD1,RESET1切换电路的串行控制信号,使3个高压开关的输入端依次和自己的输出端闭合,如U3的7脚和8脚,此时,IPA信号送给了IP001。但需注意的是,在同一时间,3个高压开关的24个通道只有一个是可以闭合的,其余的都断开。INB的过程和IPA的过程完全一样,在IP001得到IPA信号的同时,IN001也得到了INB信号。IP001~IP024依次得到IPA信号,IN001~IN024则依次得到INB信号。IP001~IP024和IN001~IN024通过转接头JP3 、JP4 送到B超的AFE9624板上。在AFE9624板上经过MD1211驱动,驱动内置场效应管芯片C6320,得到工装发出的两个带死区时间、方向相反并经MD1211放大后合成的波形。再经过AFE9624板上的12个高压开关HV20220切换,根据继电器切换选择探头A或探头B输出。在微处理器AT89S52的控制下,给继电器组开通或关断信号SRELAY:SRELAY=0时,探头A开;SRELAY=1时,探头B开通。同时又发出SDATA2,SCLK2,SLD2,RESET2串行控制信号,通过JP10转接线去控制AFE9624板上高压模拟开关HV20220。经过AFE9624板放大控制的信号,再通过转接线JP5、JP6、JP7送到工装板上12个高压开关U12~U20上(在图3中,只给出了U18~U20),最后通过双刀双掷开关S2(此时应该拨到发射位置),接在J3端的示波器就能看到需要的合成波形。U12~U20在微处理器AT89S52的控制下,给出SDATA3, SCLK3, SLD3,RESET3串行控制信号,达到96选1的目的。

图2 发射、接收工装设计电路中发射部分原理图

  接收工装设计

  图3中,U25(MAX038)是函数发生器产生芯片,其3脚A0、4脚A1是输出波形选择端,输出波形的选择由逻辑地址引脚A0和A1的组合来决定:A1A0=10或11时,输出正弦波;A1A0=00时,输出方波;A1A0=01时输出三角波。波形切换可在0.3μs内完成,但输出波形有0.5μs的延迟时间。MAX038的19脚是波形输出端,本设计输出正弦波,频率为3.5MHz,幅度P-P 在1V左右。此正弦波通过双刀双掷开关S2(此时应该拨到接收位置),在微处理器AT89S52的控制下,给出SDATA3, SCLK3, SLD3,RESET3串行控制信号,控制U12~U20,将此正弦波切换到(96选1)探头上,即PA0~PA95分别得到此正弦波,通过转接线JP5、JP6、JP7送到AFE9624板。根据转接线JP5、JP6、JP7接到该探头,和微处理器用继电器控制其工作。正弦波经过12个高压开关HV20220(和发射时是同一组高压开关),经过发射、接收隔离电路得到接收信号(这里是我们工装给出的正弦波),再通过AFE9624板上的前放电路放大,通过工装上转接线JP3、JP4送到图2中发射工装上的U3~U5的IP001~IP024端和U6~U8的IN001~IN024端。同样在微处理器AT89S52的控制下,高压开关轮流导通,此时高压开关的另一端IP和IN得到正弦波,经过双刀双掷开关S1(S1此时需拨到接收位置)。在J1接双踪示波器就能看到差分的2个正弦波。三极管Q5发射极输出TGC增益控制信号,通过转接线JP10送到AFE9624板上的前放电路的增益控制端,控制接收信号的幅度。

图3 发射、接收工装设计电路中接收部分原理图


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