[发明专利]用于声电成像的相控阵超声聚焦系统

摘要

本发明涉及一种应用于声电成像的相控阵超声聚焦系统，包括上位机、发射模块、接收模块、数字控制及数据处理模块，上位机根据聚焦点的位置与深度通过PC机终端运算出相控阵换能器各阵元的延时时间和脉冲宽度并传输给FPGA，通过FPGA编程实现多通道相控阵探头的收发控制和发射的聚焦、偏转和动态扫描功能，实时将换能器延时信息和脉冲宽度信息传输给波束成形器。

主权项

一种应用于声电成像的相控阵超声聚焦系统，包括上位机、发射模块、接收模块、数字控制及数据处理模块，上位机根据聚焦点的位置与深度通过PC机终端运算出相控阵换能器各阵元的延时时间和脉冲宽度并传输给FPGA，通过FPGA编程实现多通道相控阵探头的收发控制和发射的聚焦、偏转和动态扫描功能，实时将换能器延时信息和脉冲宽度信息传输给波束成形器，其中，发射模块，包括波束成形器(1)、高压脉冲产生电路(2)和发射匹配电路(3)，波束成形器(1)选用TI的LM96570芯片，根据FPGA配置的16个通道的延时量以及发射的波形样式和波形宽度数据控制高压脉冲产生电路片发射制定波形；高压脉冲产生电路(2)采用HV7331芯片，根据制定延时信号发射范围为0‑300V的高压；发射匹配电路(3)为电感‑电容匹配电路，通过匹配层设计超声换能器的声阻抗匹配，匹配层厚度取波长的四分之一；在超声换能器两端并联一个匹配电容C，同时在前端串联一个匹配电感L和串联可变电容；接收模块，对高压脉冲进行隔离限幅，接收并处理回波信号，使之变为后续电路能够处理的量化数字信号，接收模块包括收发隔离限幅电路(5)和回波信号处理前端(6)两部分。隔离限幅电路(5)采用MMBD4148SE芯片，单路的限幅电路包括三个MMBD4148，第一个MMBD4148的1、2引脚分别与第二个MMBD4148的1、2引脚连接，1引脚通过电阻接到+5V，2引脚通过电阻接在‑5V，3引脚与第三个MMBD4148的1、2引脚连接，实现两级限幅；第一级将电压限制到±5V，次级限幅电路将幅值限制在±0.7V；回波信号处理前端电路(6)选用芯片AFE5805，经FPGA连接解调后传给上位机供数据处理分析；数字控制及数据处理模块，通过对波束成形器进行程序设计实现发射波束的延时和波形控制。并且对回波信号进行数据滤波解调处理；发射部分的延时和波束控制是由波束成形器传输给超声相控阵换能器，激发换能器发射设计的波形，每个通道的延迟设置和发射脉冲样式都从SPI接口写入和读出；LM96570芯片读写控制程序设计包括FPGA控制信号模块、SPI读写控制器模块、重复发射控制模块和波束成形器模块；FPGA控制信号模块主要是产生脉冲重复触发时钟，SPI通信时钟，SPI读写控制信号，内部数据和地址总线连接；重复发射控制模块是根据实际要求设置超声波单位时间的发射次数；FPGA产生固定重复触发时钟CLK1，通过频率寄存器多设置几组数据选择倍数，通过PLL分频倍频产生时钟CLK2，当对LM96570进行配置时选择TX_EN2为低电平禁止脉冲发射；脉冲发射也可以通过外部时钟输入的TX_EN1进行控制；所述的SPI读写控制模块根据输入的地址、数据以及控制信号将数、地址、并串转换为串行信号送给LM96570；首先主状态机复位后，对LM96570的控制寄存器，包括可编程延时寄存器和脉冲波形样式寄存器，进行初始化配置，判别初始化是否完成。再判断是否有读写信号，主状态机进入发送地址装载状态。如果读和写信号均没有则返回到空闲状态。时钟上升沿，判定下一状态进入数据接收状态或者数据读取状态；在数据接收状态，控制开关将内部时钟连接到SPI时钟线SCLK，地址移位寄存器Addr_buf和数据移位寄存器data_buf的数据分别写入LM96570寄存器中；在数据读取状态，加入地址范围判别部分.根据不同的地址设定不同的数据宽度，发送或读取数据完成后配置计数器为零并发出数据请求信号ACK，然后返回到空闲状态进行下一次数据传输。