基于PCIe总线的相控阵超声内镜数据传输系统研究

摘要

超声内镜成像诊断技术由于其对人体无损伤，能够检查到人体内的潜在病变等优势，在人体消化道和其他部位的检测中占据重要的地位。常用的超声内镜系统分为两种，环扫超声内镜成像系统和相控阵超声内镜成像系统。与单阵元环扫超声内镜相比，相控阵超声换能器可以有效克服在传统超声检测中遇到的低分辨率、低图像质量等问题。相控阵超声内镜成像技术的优点在于：1.使用电子偏转代替机械扫描，减少系统噪声；2.阵元数目增加，超声图像分辨率增高，图像质量更好；3.声场焦点位置、焦点深度灵活可控。
　　目前，相控阵实时合成孔径成像系统研究的主要瓶颈在于数据计算量和存储量大，难以满足实时性要求；且当换能器阵元数增加时，系统硬件架构的复杂度增加，开发难度较高。
　　针对上述问题，本文设计了一种基于PCIe总线接口的相控阵超声内镜成像系统方案。该系统主要包括发射模块、接收模块、数据传输模块以及GPU数据处理模块。在此基础上，本文完成了基于PCIe总线的以FPGA为核心的数据传输模块。并通过实验验证了其数据传输的准确性，为最终实现相控阵超声成像系统打下了基础。
　　本文的主要工作包括：
　　1.对国内外高水平相控阵超声系统充分调研，设计了基于PCIe总线的相控阵超声内镜成像系统方案，完成了功能模块划分，主要包括发射模块、接收模块、数据传输模块等。方案中使用了多种集成芯片，在满足性能要求的同时实现了系统小型化。
　　2.计算数据传输模块硬件系统需求，并在此基础上设计了基于 XILINX Virtex-7 FPGA VC709开发平台的相控阵超声内镜数据传输模块。
　　3.利用FPGA实现了基于PCIe总线的数据高速传输，并对FPGA中的三个主要模块：AXI_Stream_GEN模块、VIFIFO_DDR3模块以及PCIe_DMA模块的工作原理以及各个模块中使用到的IP核进行了详细介绍。
　　4.搭建了相控阵超声内镜数据传输实验系统，完成了PCIe总线数据传输模块的测试实验，验证了系统的正确性和可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 相控阵超声内镜成像原理

2.1 相控阵超声成像原理

2.2 合成孔径算法

2.3 本章小结

第3章 相控阵超声成像系统方案设计

3.1国内外系统方案对比

3.2 发射模块

3.3 接收模块

3.4 数据传输模块

3.5 本章小结

第4章 PCIe数据传输的FPGA实现

4.1 AMBA总线协议

4.2 AXI_Stream_GEN模块

4.3 VIFIFO_DDR3模块

4.4 PCIe_DMA模块

4.5 本章小结

第5章 基于PCIe总线数据采集的实验与分析

5.1 实验平台搭建

5.2 开发工具简介

5.3 PCIe数据采集实验

5.4 PCIe总线传输速率实验

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢