基于單片機及CPLD的B超檢測工裝設計

引言

超聲在人體內傳播，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運動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性。應用不同類(lèi)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，顯示各種組織及其病變的形態(tài)，結合病理學(xué)、臨床醫學(xué)，觀(guān)察、分析、總結不同的反射規律，從而對病變部位、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(guò)程為：當探頭獲得激勵脈沖后發(fā)射超聲波（同時(shí)探頭受聚焦延遲電路控制，實(shí)現聲波的聲學(xué)聚焦），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后再由探頭接收反射回的回聲信號，經(jīng)過(guò)濾波、對數放大等信號處理。然后由DSC電路進(jìn)行數字變換形成數字信號，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量電路一起合成視頻信號送給顯示器，形成我們所熟悉的B超圖像，也稱(chēng)二維黑白超聲圖像。

由于B超中為了增強圖像分辨率，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，在裝整機前，最好有測試手段和方法，對所有通道能進(jìn)行測試，以去除器件本身和焊接電路板中出現的問(wèn)題，基于此目的，本人設計了B超檢測工裝。

工裝設計需求

本工裝設計要求為24通道、探頭為96陣元的B超板AFE9624進(jìn)行測試，AFE9624包含高壓發(fā)射電路、繼電器切換、高壓模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)電路、繼電器切換電路測試，這幾者必須同時(shí)進(jìn)行檢測，要設計發(fā)射工裝板、繼電器控制測試電路、高壓模擬控制電路、探頭接口高壓波形測量電路。具體包括：高壓發(fā)射電路工裝（簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)射工裝），1~24通道的發(fā)射驅動(dòng)及切換電路；高壓模擬開(kāi)關(guān)控制電路工裝（簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)工裝），控制任何一個(gè)通道的開(kāi)通或者關(guān)斷，實(shí)際使用時(shí)只控制某一個(gè)通道的開(kāi)通，其他的通道關(guān)斷，相應地發(fā)射控制也只開(kāi)通對應的一路，其他的驅動(dòng)設置為無(wú)效；繼電器控制測試工裝（簡(jiǎn)稱(chēng)繼電器工裝），提供繼電器組開(kāi)通或關(guān)斷的控制信號；探頭接口的波形測量電路工裝（簡(jiǎn)稱(chēng)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量出來(lái)。

接收工裝要求

VGA測試：VGA測試主要驗證放大電路的功能和準確性，需要提供給每一路VGA模擬輸入信號，并通過(guò)示波器檢測。通過(guò)探頭接口可以將測試信號施加進(jìn)去，但是必須要對高壓模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行相應控制，使得每一路VGA獲得準確的輸入。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)現負載短路保護，允許有幾十歐姆的輸出阻抗；高壓模擬開(kāi)關(guān)控制及VGA增益控制工裝（簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)增益工裝），提供AFE9624上高壓模擬開(kāi)關(guān)電路的控制信號，并提供VGA的增益控制信號，增益控制信號可以是鋸齒波，幅度值最低應大于0.2V，最大值應不大于2.5V，鋸齒波周期為50µs。

硬件電路設計

圖1所示為發(fā)射、接收工裝設計電路中主控部分原理圖。其中，發(fā)射部分原理圖見(jiàn)圖2，接收部分原理圖見(jiàn)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)檢測的微處理器AT89S52，用數碼管前2位顯示探頭00或01，即PROBE A或PROBE B。數碼管后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(kāi)關(guān)HV20220，其中6個(gè)用于控制雙1~24通道數字開(kāi)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(kāi)關(guān)S1、S2的撥動(dòng)方向，接收工裝的發(fā)射波形是正弦波，由函數發(fā)生器芯片MAX038產(chǎn)生。本設計留有單片機AT89S52與上位機的通訊接口，可以通過(guò)上位機編程，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)檢測和手工檢測這兩種模式，沒(méi)有使用上位機控制模式。

圖1 發(fā)射、接收工裝設計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(guò)控制后，通過(guò)轉接線(xiàn)JP3~JP7及JP10和需要檢測的實(shí)際B超板相接，來(lái)檢測B超板（圖1~圖3中未給出JP3~JP7及JP10連接線(xiàn)的插座）。

發(fā)射工裝設計

圖1中，U1(7400)與非門(mén)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。EPM7064的21腳和25腳輸出周期20ms、脈寬330ns、帶660ns死區時(shí)間的2個(gè)方向相反的脈沖信號，經(jīng)同向放大器U21(74F07)驅動(dòng)后得到IPA和INB，加到雙刀雙擲開(kāi)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(kāi)關(guān)HV20220上，3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)的所有輸出都接在了一起，而且這3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)接成菊花瓣形式，即下一個(gè)開(kāi)關(guān)的數據輸入端DIN，接前一個(gè)開(kāi)關(guān)的數據輸出端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，使3個(gè)高壓開(kāi)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信號送給了IP001。但需注意的是，在同一時(shí)間，3個(gè)高壓開(kāi)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(kāi)。INB的過(guò)程和IPA的過(guò)程完全一樣，在IP001得到IPA信號的同時(shí)，IN001也得到了INB信號。IP001~IP024依次得到IPA信號，IN001~IN024則依次得到INB信號。IP001~IP024和IN001~IN024通過(guò)轉接頭JP3 、JP4 送到B超的AFE9624板上。在A(yíng)FE9624板上經(jīng)過(guò)MD1211驅動(dòng)，驅動(dòng)內置場(chǎng)效應管芯片C6320，得到工裝發(fā)出的兩個(gè)帶死區時(shí)間、方向相反并經(jīng)MD1211放大后合成的波形。再經(jīng)過(guò)AFE9624板上的12個(gè)高壓開(kāi)關(guān)HV20220切換，根據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(kāi)通或關(guān)斷信號SRELAY：SRELAY=0時(shí)，探頭A開(kāi)；SRELAY=1時(shí)，探頭B開(kāi)通。同時(shí)又發(fā)出SDATA2,SCLK2,SLD2,RESET2串行控制信號，通過(guò)JP10轉接線(xiàn)去控制AFE9624板上高壓模擬開(kāi)關(guān)HV20220。經(jīng)過(guò)AFE9624板放大控制的信號，再通過(guò)轉接線(xiàn)JP5、JP6、JP7送到工裝板上12個(gè)高壓開(kāi)關(guān)U12~U20上（在圖3中，只給出了U18~U20），最后通過(guò)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S2(此時(shí)應該撥到發(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，達到96選1的目的。

圖2 發(fā)射、接收工裝設計電路中發(fā)射部分原理圖