基于單片機(jī)及CPLD的B超VGA檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)

引言

　　超聲在人體內(nèi)傳播，由于人體各種組織有聲學(xué)的特性差異，超聲波在兩種不同組織界面處會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、衰減以及聲源與接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性。應(yīng)用不同類型的超聲診斷儀，采用各種掃查方法，接收這些反射、散射信號(hào)，顯示各種組織及其病變的形態(tài)，結(jié)合病理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)，觀察、分析、總結(jié)不同的反射規(guī)律，從而對(duì)病變部位、性質(zhì)和功能障礙程度作出診斷。B超是超聲診斷儀中的一種顯示模式。

　　B超工作過程為：當(dāng)探頭獲得激勵(lì)脈沖后發(fā)射超聲波（同時(shí)探頭受聚焦延遲電路控制，實(shí)現(xiàn)聲波的聲學(xué)聚焦），經(jīng)過一段時(shí)間延遲后再由探頭接收反射回的回聲信號(hào)，經(jīng)過濾波、對(duì)數(shù)放大等信號(hào)處理。然后由DSC電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號(hào)，在CPU控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理，再同圖像形成電路和測(cè)量電路一起合成視頻信號(hào)送給顯示器，形成我們所熟悉的B超圖像，也稱二維黑白超聲圖像。

　　由于B超中為了增強(qiáng)圖像分辨率，通道都比較多，大多是16、24、48、64甚至更多通道。這些通道電子元器件完全一樣，要求各通道的一致性要好，在裝整機(jī)前，最好有測(cè)試手段和方法，對(duì)所有通道能進(jìn)行測(cè)試，以去除器件本身和焊接電路板中出現(xiàn)的問題，基于此目的，本人設(shè)計(jì)了B超檢測(cè)工裝。

工裝設(shè)計(jì)需求

　　本工裝設(shè)計(jì)要求為24通道、探頭為96陣元的B超板AFE9624進(jìn)行測(cè)試，AFE9624包含高壓發(fā)射電路、繼電器切換、高壓模擬開關(guān)切換、前放電路和VGA電路。

　　發(fā)射工裝要求

　　高壓發(fā)射電路、高壓模擬開關(guān)電路、繼電器切換電路測(cè)試，這幾者必須同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，要設(shè)計(jì)發(fā)射工裝板、繼電器控制測(cè)試電路、高壓模擬控制電路、探頭接口高壓波形測(cè)量電路。具體包括：高壓發(fā)射電路工裝（簡(jiǎn)稱發(fā)射工裝），1~24通道的發(fā)射驅(qū)動(dòng)及切換電路；高壓模擬開關(guān)控制電路工裝（簡(jiǎn)稱開關(guān)工裝），控制任何一個(gè)通道的開通或者關(guān)斷，實(shí)際使用時(shí)只控制某一個(gè)通道的開通，其他的通道關(guān)斷，相應(yīng)地發(fā)射控制也只開通對(duì)應(yīng)的一路，其他的驅(qū)動(dòng)設(shè)置為無效；繼電器控制測(cè)試工裝（簡(jiǎn)稱繼電器工裝），提供繼電器組開通或關(guān)斷的控制信號(hào)；探頭接口的波形測(cè)量電路工裝（簡(jiǎn)稱探頭波形工裝），包含96~1的切換電路，使得得到發(fā)射的陣元位置波形可以切換到示波器顯示測(cè)量出來。

　　接收工裝要求

　　VGA測(cè)試：VGA測(cè)試主要驗(yàn)證放大電路的功能和準(zhǔn)確性，需要提供給每一路VGA模擬輸入信號(hào)，并通過示波器檢測(cè)。通過探頭接口可以將測(cè)試信號(hào)施加進(jìn)去，但是必須要對(duì)高壓模擬開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)控制，使得每一路VGA獲得準(zhǔn)確的輸入。具體包括：波形發(fā)生器工裝，提供96路的模擬正弦波形，頻率3.5MHz，幅度P-P 在1V~1.2V，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù)，允許有幾十歐姆的輸出阻抗；高壓模擬開關(guān)控制及VGA增益控制工裝（簡(jiǎn)稱開關(guān)增益工裝），提供AFE9624上高壓模擬開關(guān)電路的控制信號(hào)，并提供VGA的增益控制信號(hào)，增益控制信號(hào)可以是鋸齒波，幅度值最低應(yīng)大于0.2V，最大值應(yīng)不大于2.5V，鋸齒波周期為50µs。

硬件電路設(shè)計(jì)

　　圖1所示為發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中主控部分原理圖。其中，發(fā)射部分原理圖見圖2，接收部分原理圖見圖3。需要注意的是，發(fā)射和接收有一部分電路是共用的。這3個(gè)電路主要包括用于控制自動(dòng)檢測(cè)的微處理器AT89S52，用數(shù)碼管前2位顯示探頭00或01，即PROBE A或PROBE B。數(shù)碼管后2位顯示1~96，即1~96通道。Alter公司的CPLD(EPM7064)用于產(chǎn)生周期20ms、脈寬330ns的2個(gè)方向相反、有死區(qū)時(shí)間的脈沖，用于發(fā)射通道的發(fā)射波形。工裝板用了18個(gè)8通道高壓開關(guān)HV20220，其中6個(gè)用于控制雙1~24通道數(shù)字開關(guān)切換電路，其余的12個(gè)用于探頭96個(gè)陣元選1的切換。發(fā)射和接收的控制回路基本一樣，需要改變的是2個(gè)雙刀雙擲開關(guān)S1、S2的撥動(dòng)方向，接收工裝的發(fā)射波形是正弦波，由函數(shù)發(fā)生器芯片MAX038產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)留有單片機(jī)AT89S52與上位機(jī)的通訊接口，可以通過上位機(jī)編程，利用圖形界面控制本工裝，只需軟件編程即可。本文采用上電自動(dòng)檢測(cè)和手工檢測(cè)這兩種模式，沒有使用上位機(jī)控制模式。

圖1 發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中主控部分原理圖

　　發(fā)射和接收工裝都需要把發(fā)射波形或接收波形經(jīng)過控制后，通過轉(zhuǎn)接線JP3~JP7及JP10和需要檢測(cè)的實(shí)際B超板相接，來檢測(cè)B超板（圖1~圖3中未給出JP3~JP7及JP10連接線的插座）。

　　發(fā)射工裝設(shè)計(jì)

　　圖1中，U1(7400)與非門電路和12MHz晶振組成晶體振蕩器，給EPM7064的全局時(shí)鐘端43腳提供時(shí)鐘信號(hào)。EPM7064的21腳和25腳輸出周期20ms、脈寬330ns、帶660ns死區(qū)時(shí)間的2個(gè)方向相反的脈沖信號(hào)，經(jīng)同向放大器U21(74F07)驅(qū)動(dòng)后得到IPA和INB，加到雙刀雙擲開關(guān)S1上（在圖2中，S1此時(shí)需撥到發(fā)射位置）。IPA經(jīng)S1加到U3、U4、U5這3個(gè)高壓開關(guān)HV20220上，3個(gè)高壓開關(guān)的所有輸出都接在了一起，而且這3個(gè)高壓開關(guān)接成菊花瓣形式，即下一個(gè)開關(guān)的數(shù)據(jù)輸入端DIN，接前一個(gè)開關(guān)的數(shù)據(jù)輸出端DOUT。在微處理器AT89S52的控制下，給出SDATA1, SCLK1, SLD1,RESET1切換電路的串行控制信號(hào)，使3個(gè)高壓開關(guān)的輸入端依次和自己的輸出端閉合，如U3的7腳和8腳，此時(shí)，IPA信號(hào)送給了IP001。但需注意的是，在同一時(shí)間，3個(gè)高壓開關(guān)的24個(gè)通道只有一個(gè)是可以閉合的，其余的都斷開。INB的過程和IPA的過程完全一樣，在IP001得到IPA信號(hào)的同時(shí)，IN001也得到了INB信號(hào)。IP001~IP024依次得到IPA信號(hào)，IN001~IN024則依次得到INB信號(hào)。IP001~IP024和IN001~IN024通過轉(zhuǎn)接頭JP3 、JP4 送到B超的AFE9624板上。在AFE9624板上經(jīng)過MD1211驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管芯片C6320，得到工裝發(fā)出的兩個(gè)帶死區(qū)時(shí)間、方向相反并經(jīng)MD1211放大后合成的波形。再經(jīng)過AFE9624板上的12個(gè)高壓開關(guān)HV20220切換，根據(jù)繼電器切換選擇探頭A或探頭B輸出。在微處理器AT89S52的控制下，給繼電器組開通或關(guān)斷信號(hào)SRELAY：SRELAY=0時(shí)，探頭A開；SRELAY=1時(shí)，探頭B開通。同時(shí)又發(fā)出SDATA2,SCLK2,SLD2,RESET2串行控制信號(hào)，通過JP10轉(zhuǎn)接線去控制AFE9624板上高壓模擬開關(guān)HV20220。經(jīng)過AFE9624板放大控制的信號(hào)，再通過轉(zhuǎn)接線JP5、JP6、JP7送到工裝板上12個(gè)高壓開關(guān)U12~U20上（在圖3中，只給出了U18~U20），最后通過雙刀雙擲開關(guān)S2(此時(shí)應(yīng)該撥到發(fā)射位置)，接在J3端的示波器就能看到需要的合成波形。U12~U20在微處理器AT89S52的控制下，給出SDATA3, SCLK3, SLD3,RESET3串行控制信號(hào)，達(dá)到96選1的目的。

圖2 發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中發(fā)射部分原理圖

　　接收工裝設(shè)計(jì)

　　圖3中，U25(MAX038)是函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生芯片，其3腳A0、4腳A1是輸出波形選擇端，輸出波形的選擇由邏輯地址引腳A0和A1的組合來決定：A1A0＝10或11時(shí)，輸出正弦波；A1A0＝00時(shí)，輸出方波；A1A0＝01時(shí)輸出三角波。波形切換可在0.3μs內(nèi)完成，但輸出波形有0.5μs的延遲時(shí)間。MAX038的19腳是波形輸出端，本設(shè)計(jì)輸出正弦波，頻率為3.5MHz，幅度P-P 在1V左右。此正弦波通過雙刀雙擲開關(guān)S2(此時(shí)應(yīng)該撥到接收位置)，在微處理器AT89S52的控制下，給出SDATA3, SCLK3, SLD3,RESET3串行控制信號(hào)，控制U12~U20，將此正弦波切換到（96選1）探頭上，即PA0~PA95分別得到此正弦波，通過轉(zhuǎn)接線JP5、JP6、JP7送到AFE9624板。根據(jù)轉(zhuǎn)接線JP5、JP6、JP7接到該探頭，和微處理器用繼電器控制其工作。正弦波經(jīng)過12個(gè)高壓開關(guān)HV20220(和發(fā)射時(shí)是同一組高壓開關(guān))，經(jīng)過發(fā)射、接收隔離電路得到接收信號(hào)（這里是我們工裝給出的正弦波），再通過AFE9624板上的前放電路放大，通過工裝上轉(zhuǎn)接線JP3、JP4送到圖2中發(fā)射工裝上的U3~U5的IP001~IP024端和U6~U8的IN001~IN024端。同樣在微處理器AT89S52的控制下，高壓開關(guān)輪流導(dǎo)通，此時(shí)高壓開關(guān)的另一端IP和IN得到正弦波，經(jīng)過雙刀雙擲開關(guān)S1（S1此時(shí)需撥到接收位置）。在J1接雙蹤示波器就能看到差分的2個(gè)正弦波。三極管Q5發(fā)射極輸出TGC增益控制信號(hào)，通過轉(zhuǎn)接線JP10送到AFE9624板上的前放電路的增益控制端，控制接收信號(hào)的幅度。

圖3 發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中接收部分原理圖