超声探测器多通道数据获取系统的设计

摘要

超声诊断是一项重要的医学诊断技术，由于它具有无痛、无创、操作方便、显示直观、成本低廉等特点，在医学诊断领域得到了广泛的应用。就超声诊断技术而言，超声波的频率越高，图像分辨率就越高，显示的结构也越精细。传统的超声探测器探测的超声波频率较低，导致图像分辨率低，成像精度差，制约了超声诊断技术的发展。因此，探索高分辨率超声探测器成为近年来研究热点。
　　PVDF压电膜具有压电效应，当接收到超声信号时会有感应电荷产生。本实验室自主研发的Topmetal像素传感器芯片具有体积小、位置分辨率高、响应速度快等优势，并且可以用来收集电荷，产生模拟电信号输出。因此，利用PVDF压电膜和Topmetal像素传感器可以设计出满足需求的高分辨率超声探测器。
　　本文的研究重点就是为此超声探测器设计多通道数据获取系统。该数据获取系统通过8通道、12位高速模数转换器对像素传感器模拟输出进行采样，采样率为25MSPS。ADC采样的数据以LVDS形式传送到FPGA后，经过差分到单端的转换、延时调整、串并转换、FIFO缓存后写入128MByte的SDRAM中，然后通过PCIe总线将数据传送到PC端保存并分析。PC端的控制指令通过PCIe总线传送到FPGA中。
　　本文的主要研究工作:
　　1、硬件电路设计:包括芯片bonding板、芯片驱动板、ADC采样板的硬件电路设计。bonding板实现芯片pad的引出。驱动板提供芯片控制信号、外部复位电平和模拟输出驱动。ADC采样板用来对像素传感器的模拟输出进行采样。
　　2、系统逻辑设计:包括时钟管理模块、ADC寄存器配置模块、差分转换模块、延时控制模块、串并转换模块、数据缓存模块以及QSYS系统设计。
　　3、系统软件设计:利用Linux操作系统下PCIe驱动用户接口函数实现了ADC寄存器设置、数据延时设置、延时分析和传输误码分析等功能。
　　4、系统测试:包括硬件电子学各模块测试和整个超声探测系统的测试。测试结果表明，数据获取系统可稳定工作在25MSPS采样率下。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要结构

第二章 超声探测原理

2．1 超声探测

2．2 PVDF压电膜

2．3 Topmetal像素传感器

2．4 数据获取系统方案

第三章 硬件电路设计

3．1 硬件电路系统方案

3．2 前端电子学板

3．2．1 Topmetal bonding板

3．2．2 Topmetal驱动板

3．3 ADC采样板

3．3．1 前端信号调理电路

3．3．2 ADC采样电路

3．3．3 ADC采样板接口

3．4 DE2i-150开发平台

3．5 PCB设计

3．5．1 PCB布局

3．5．2 PCB叠层设计

3．5．3 PCB布线

第四章 系统逻辑设计

4．1 逻辑设计方案

4．2 时钟管理模块

4．3 ADC寄存器配置模块

4．4 LVDS发送接收模块

4．5 延时控制模块

4．6 串并转换模块

4．7 数据缓存模块

4．8 QSYS集成开发工具

第五章 系统软件设计

5．1 Linux下PCIe驱动接口函数

5．2 ADC寄存器设置

5．3 四通道延时设置

5．4 延时分析

5．5 传输误码分析

第六章 系统测试

6．1 硬件电子学测试

6．1．1 驱动板测试

6．1．2 ADC板测试

6．1．3 PCIe1．0传输速率测试

6．1．4 ADS5282+PCIe传输测试

6．2 Topmetal芯片测试

6．2．1 Topmetal模拟输出测试

6．2．2 超声测试

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 展望

附录

参考文献

致谢