高小明

摘要：時間增益控制器（TGC）是B超成像設(shè)備的重要部件，它對人體反饋的超聲信號進行增益控制，補償超聲隨傳播距離增大而產(chǎn)生的衰減。該文依托數(shù)字B超設(shè)備的研發(fā)項目，完成了TGC的設(shè)計，包括整體方案設(shè)計、硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字B超；時間增益控制；硬件電路

中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0867-03

在超聲診斷設(shè)備中，由探頭產(chǎn)生的超聲波在人體組織傳播時，由于組織對聲波的散射、吸收以及聲束自身的擴散等因素，其能量（振幅，聲強等）會隨距離的增大而逐漸衰減，反射的回波信號也會逐漸減弱，這樣在縱向深度上，不同深度的同一組織器官將以不同的灰度值顯示，不能反映真實反射體的本質(zhì)。因此，必須采用時間增益控制器（TGC）補償超聲波在傳播過程中的衰減，本質(zhì)上就是利用一定的電壓曲線控制回波放大器的增益，實驗表明，人體組織對超聲波的衰減呈指數(shù)規(guī)律，補償電壓曲線也為一條指數(shù)函數(shù)曲線。

1 方案設(shè)計

TGC以一條指數(shù)曲線進行增益補償，但在實際使用中，診斷醫(yī)生醫(yī)師需要調(diào)整局部增益，以獲得更高的圖像細節(jié)來查看感興趣的部位，補償曲線并不是一成不變的，所以，在設(shè)計出基礎(chǔ)TGC曲線后，需要根據(jù)使用情況，以該曲線為基礎(chǔ)進行調(diào)節(jié)，該文采用單片機+FPGA的設(shè)計方案，如圖1所示。

單片機片內(nèi)ROM中存儲TGC基礎(chǔ)曲線波形表，通過偏移量采集電路獲取用戶對該TGC的控制信息，并在基礎(chǔ)曲線上進行重新計算更新波形表，將新的波形表通過IO口以自定義協(xié)議傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的TGC波形表存儲于片內(nèi)Ram，在B超掃描同步信號的作用下控制DAC完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，形成模擬電壓曲線，再通過放大器調(diào)節(jié)至壓控放大器所需要的電壓范圍。輸出曲線可以通過修改單片機內(nèi)部基礎(chǔ)曲線波形表以及調(diào)整算法修正，具有靈活性好的特點。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 TGC信號發(fā)生電路的設(shè)計

信號發(fā)生電路主要包括FPGA部分的邏輯電路、D/A變換器、放大電路等。FPGA產(chǎn)生對D/A的控制信號，D/A輸出STC曲線，再經(jīng)過放大輸出。

系統(tǒng)要求D/A的轉(zhuǎn)換速率至少在4MHz以上，選擇TI的TLC5602，該D/A的最小轉(zhuǎn)換速率為20MHz，+5V電源供電，而且功耗極低，典型功耗為80mW，該文中D/A的參考電壓為+4.02V，其輸出電壓范圍為4V～5V，所以其電壓精度為1/256=4 mV，很好的滿足了系統(tǒng)的要求。設(shè)計電路如圖2所示。

由于D/A的輸出范圍為4V～5V，而所需要的STC電壓調(diào)節(jié)曲線范圍在0～2V，因此需要通過模擬電路將電壓變換到0～2V，設(shè)計將信號加上-4V后，信號范圍為0～1V，放大2倍即得到0～2V，為了提高帶負載能力，增加一級電壓跟隨器，電路如圖3所示。

2.2 偏移量采集電路設(shè)計

TGC調(diào)節(jié)有9個，即8個分段調(diào)節(jié)以及1個總體調(diào)節(jié)，8個分段調(diào)節(jié)通過滑動變阻器進行實現(xiàn)，偏移量的采集需要AD完成，該文選擇TLC5510集成A/D轉(zhuǎn)換器，AD部分電路設(shè)計如圖4所示。

由于TLC5510是單通道采樣，而所需采集的電壓有8個通道，在此采用一個模擬開關(guān)CD4051來進行通道選擇，以實現(xiàn)對8個通道的分時采樣，該部分是模擬電路，對紋波要求比較高，需要考慮將模擬部分與數(shù)字部分隔離開來，以提高抗干擾能力。該文采取將電源和地單點相接的方法，用一個零歐姆電阻將模擬電源與數(shù)字電源及模擬地與數(shù)字地隔開。

由于單片機是3.3V供電，而A/D的輸出是5V的電平，控制CD4051也需要5V的電壓，因此，設(shè)計中采用了74LVC245ADR實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。74LVC245是一個可以選擇電平轉(zhuǎn)換方向的電平轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)DIR接高電平時候，是從A端的5V轉(zhuǎn)換到B端的3.3V，而當(dāng)DIR接低電平的時候，是從B端的3.3V轉(zhuǎn)換到A端的5V。

TGC的總體調(diào)節(jié)由旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)。其電路設(shè)計如圖6所示旋轉(zhuǎn)編碼器的A端接在單片機的外部中斷管腳上，EB端接單片機普通I/0，采用下降沿觸發(fā)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器時，會產(chǎn)生一個下降沿的中斷，判斷B端的高低電平就可以知道是正傳或者反轉(zhuǎn)。如果為高電平則為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。

2.3 單片機與FPGA系統(tǒng)

在該TGC設(shè)計方案中，單片機和FPGA是整個系統(tǒng)的處理核心，常用的單片機類型多種多樣，考慮到開發(fā)的容易和安全性能，采用加密性較強的STC12LE5A60S2單片機，為傳統(tǒng)8051單片機劃時代升級換代產(chǎn)品，管腳完全兼容，可以直接取代傳統(tǒng)89C51/89S51系列單片機，單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12 倍。FPGA則選用ACTEL公司IGLOO系列的AGL060，該以Flash為工藝為基礎(chǔ)功，可重編程FPGA，不需要配置芯片，上電即可運行，低功耗，安全性高。

3 結(jié)束語

采用FPGA和單片機加外圍輔助電路相結(jié)合的方式完成數(shù)字B超TGC，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于擴展，靈活性高的特點，電路設(shè)計中盡可能采用集成器件具備較好的抗干擾性能，能很好滿足應(yīng)用需求。

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