基于DSP和USB總線(xiàn)的高頻超聲數據采集系統設計

超聲醫學(xué)即利用超聲波的物理特性進(jìn)行診斷和治療的一門(mén)影像學(xué)科，其臨床應用范圍廣泛，目前已成為現代臨床醫學(xué)中不可缺少的診斷方法。

本系統是一個(gè)便攜式軟組織超聲診斷儀的一部分，主要功能是高頻超聲信號采集。其工作機制，是在前端低頻脈沖(20Hz~10KHz)的觸發(fā)下，對由超聲換能器產(chǎn)生的高頻超聲信號(1MHz~20MHz)進(jìn)行采集，預處理，然后通過(guò)USB總線(xiàn)傳輸給PC機，由軟件進(jìn)行分析、處理。

在本設計方案中，高速CPLD芯片作為數據采集系統的核心部分，相比傳統的MCU+ADC方法，CPLD是用硬件信號而不是軟件編程來(lái)控制ADC，從而在速度上有很大的優(yōu)勢。而目前強大的VHDL編程語(yǔ)言也使得CPLD能很容易地實(shí)現預想的功能邏輯。數據處理部分，選用數據處理功能強大、處理速度高的DSP芯片作為CPU。而在與上位機通信方面，采用支持即插即用且成本也相對較低的USB接口。整體系統方面，各個(gè)子系統之間的數據傳輸和同步問(wèn)題是技術(shù)難點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)反復比較和測試之后，采取高速存儲器作為數據緩沖區的方案。

系統各組成模塊

包括三個(gè)子系統：CPLD子系統，DSP子系統和USB子系統。其中，CPLD+ADC實(shí)現數據采集，DSP則負責數據處理，兩者之間通過(guò)一片高速RAM來(lái)交換數據；USB芯片(AN2131Q)負責把數據通過(guò)USB線(xiàn)上傳給主機，它和DSP之間通過(guò)一片鎖存器進(jìn)行通信。

數據采集子系統(CPLD子系統)

該子系統主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所組成。

由于要采集的超聲信號最高頻率為20M，根據Nyquist定律，采樣頻率應該在40MHz以上，為了提高精度，系統采用了ADI公司的AD9283芯片。該芯片最高工作頻率為100MHz，經(jīng)過(guò)測試，可很好地滿(mǎn)足系統帶寬要求。

以往的便攜式數據采集系統中，下位機部分ADC-RAM模塊往往采用MCU作為CPU來(lái)控制，因此，采集頻率直接受到MCU速度的制約，而且和RAM存儲器的同步也成為問(wèn)題。經(jīng)過(guò)比較，本系統采用Altera公司的CPLD芯片來(lái)控制ADC和RAM，從而很好地解決了時(shí)序精度和同步的問(wèn)題。

CPLD作為控制芯片，實(shí)現的功能邏輯為：

● 接到DSP觸發(fā)信號(START)之后，實(shí)現對ADC的控制，發(fā)出一個(gè)Start信號，ADC開(kāi)始采樣工作；

● 與ADC控制信號同步提供RAM地址計數器(A0~A16)和寫(xiě)信號(/WE)，使得每次ADC的結果直接存入RAM并且自動(dòng)增加地址；

● 當地址計數器達到最大的時(shí)候,發(fā)出中斷信號(RAM_FULL)，提示DSP系統RAM已滿(mǎn)； CPLD的功能邏輯用VHDL語(yǔ)言實(shí)現，其編譯、仿真和綜合采用Altera官方主頁(yè)提供的MAXPLUXII
Student10.1版，下載電纜自制。

數據處理子系統(DSP子系統)

由于系統在后期升級中，要求對下位機部分的數據進(jìn)行較為復雜的預處理，同時(shí)系統在實(shí)時(shí)性方面要求較高。因此選用TI公司的TMS320C5409作為數據處理子系統的CPU。

DSP子系統的主要工作流程為：

1) 接到Trigger(由前端換能模塊發(fā)出)中斷(INT0)觸發(fā)后，拉高START信號通知信號采集模塊開(kāi)始工作,然后進(jìn)入等待；

2) 接到RAM_FULL中斷(INT1)之后，知道RAM已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn)，首先將START信號拉低停止CPLD和ADC。然后開(kāi)始逐個(gè)讀RAM中的數據，根據系統要求做相應處理，之后借助鎖存器發(fā)給AN2131Q；

3) 在本系統中，DSP軟件部分的幾個(gè)函數體包括：主循環(huán)；int0中斷(前端觸發(fā))；int1中斷(RAM已滿(mǎn))。

通信接口子系統(USB子系統)

該子系統完成的功能，就是通過(guò)鎖存器接收DSP發(fā)過(guò)來(lái)的數據，然后通過(guò)自身的USB控制器嵌入式系統是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數據傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應用對象相結合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，反映當代最新技術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統是當今非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域，在PC市場(chǎng)已趨于穩定的今天，嵌入式系統市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統自身獲得了快速發(fā)展。根據美國嵌入式系統專(zhuān)業(yè)雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統市場(chǎng)需求量具有比PC市場(chǎng)大10～100倍的商機。有機構估計，全世界嵌入式系統產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)將超過(guò)1萬(wàn)億美元。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內對嵌入式系統的定義也越來(lái)越清晰。它是微處理器、大規模集成電路、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應用技術(shù)相結合的結果，其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統80%的工作量。嵌入式系統不同于一般PC 機上的應用系統，即使是針對不同的具體應用而設計的嵌入式系統之間的差別也很大。嵌入式系統一般功能單一、簡(jiǎn)單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多?？梢哉f(shuō)，嵌入式系統是不可壟斷、需要不斷創(chuàng )新的技術(shù)。

嵌入式系統歷史及發(fā)展趨勢

事實(shí)上，在很早以前，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統在20世紀60年代就用于對電子機械電話(huà)交換的控制，當時(shí)被稱(chēng)為“存儲式程序控制系統”（Stored Program Control）。

嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問(wèn)世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠(chǎng)家陸續推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構成的系統廣泛地應用于儀器儀表、醫療設備、機器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應用市場(chǎng)，計算機廠(chǎng)家開(kāi)始大量地以插件方式向用戶(hù)提供OEM產(chǎn)品，再由用戶(hù)根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板，從而構成專(zhuān)用的嵌入式計算機系統，并將其嵌入到自己的系統設備中。

為靈活兼容考慮，出現了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來(lái)人們可以不必從選擇芯片開(kāi)始來(lái)設計一臺專(zhuān)用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專(zhuān)用計算機系統。用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者都希望從不同的廠(chǎng)家選購最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統，因此希望插件相互兼容，從而導致了工業(yè)控制微機系統總線(xiàn)的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡(jiǎn)單STD總線(xiàn)廣泛應用于小型嵌入式系統。

20世紀80年代可以說(shuō)是各種總線(xiàn)層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著(zhù)微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開(kāi)始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，即俗稱(chēng)的單片機，成為嵌入式計算機系統異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計算機系統的技術(shù)水平，并迅速滲入到消費電子、醫療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸等各個(gè)領(lǐng)域。

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進(jìn)一步加速發(fā)展。面向實(shí)時(shí)信號處理算法的DSP產(chǎn)品向著(zhù)高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導著(zhù)微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應用方面，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國市場(chǎng)上掌上電腦不過(guò)四五個(gè)品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現出來(lái)。此外，Nokia推出了智能電話(huà)，西門(mén)子推出了機頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。21世紀無(wú)疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)代，將嵌入式系統應用到各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中也必然是嵌入式系統發(fā)展的重要方向。嵌入式系統在各個(gè)領(lǐng)域應用的發(fā)展潛力巨大，其在醫療儀器領(lǐng)域的應用也越來(lái)越廣泛。
嵌入式系統的定義及分類(lèi)

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶(hù)應用程序等部分組成（見(jiàn)圖１），用于實(shí)現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件(OS)和應用程序編程。有時(shí)設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著(zhù)系統的運作和行為；而操作系統控制著(zhù)應用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式系統通?？砂磮D２分類(lèi)。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、交通、電子、醫療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應用。

嵌入式系統的特點(diǎn)

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點(diǎn)：

(1)對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時(shí)間，從而使內部的代碼和實(shí)時(shí)內核的執行時(shí)間減少到最低限度；

(2)具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時(shí)也有利于軟件診斷；

(3)可擴展的處理器結構，以便最迅速地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足應用的最高性能的嵌入式微處理器；

(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

嵌入式系統同通用型計算機系統相比具有六大重要特征：

(1)專(zhuān)用性強：嵌入式系統通常是面向特定應用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶(hù)群設計的系統中，它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強，與網(wǎng)絡(luò )的耦合也越來(lái)越緊密；

(2)知識集成度高：嵌入式系統是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng )新的知識集成系統；

(3)系統內核?。呵度胧较到y的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力；

(4)系統精簡(jiǎn)：嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，一般沒(méi)有系統軟件和應用軟件的明顯區分。它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，便具有較長(cháng)的生命周期；

(5)高實(shí)時(shí)性和可靠性：為了提高執行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤(pán)等載體中；

(6)系統開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，設計完成以后用戶(hù)通常不能直接對其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

嵌入式系統在醫療儀器中的應用

進(jìn)入2008年，越來(lái)越多的利好消息出現在醫療儀器設備領(lǐng)域。近期，德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫療和全民醫療領(lǐng)域加大投入。而我國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也將在2008年繼續其備受世人矚目的醫療改革。這些政府級別的投入將增加全社會(huì )對醫療儀器設備的需求。隨著(zhù)生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關(guān)注也提升到一個(gè)前所未有的高度。今天，越來(lái)越多的高科技手段開(kāi)始運用到醫療儀器的設計中。心電圖、腦電圖等生理參數檢測設備，各類(lèi)型的監護儀器、超聲波、X射線(xiàn)成影設備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開(kāi)始在各地醫院廣泛使用。遠程醫療、HIS、病人呼叫中心、數字化醫院等先進(jìn)理念的出現和應用，使醫院的管理比以往任何時(shí)候都更加完善和高效，同時(shí)病人享受到更加快捷方便和人性化的服務(wù)。

在技術(shù)領(lǐng)域，醫療儀器設備則開(kāi)始呈現向便攜性和網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的趨勢?？梢噪S身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫院中使用的呼吸機、心電監護儀必然會(huì )有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。而網(wǎng)絡(luò )化的進(jìn)一步普及也正在進(jìn)入醫療儀器設備領(lǐng)域，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)，醫生可以遠程訪(fǎng)問(wèn)病人的資料；數字化網(wǎng)絡(luò )化的醫療檢測設備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫院的各個(gè)科室甚至是遠隔千里的不同醫院之間，從而節省了就醫者的時(shí)間和重復檢測的費用；而網(wǎng)絡(luò )化的醫療儀器設備和系統也使遠程醫療變?yōu)楝F實(shí)，身在某些不發(fā)達地區的重癥患者有可能通過(guò)遠程醫療獲得高水平醫生的救治而重獲新生。在我國，由于醫療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫療資源的缺乏和地區間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問(wèn)題。醫療儀器設備網(wǎng)絡(luò )化所帶來(lái)的這些益處對解決該問(wèn)題也有著(zhù)非?，F實(shí)的意義。

嵌入式系統在醫療儀器設備中的應用

由于醫療儀器設備固有的自身特點(diǎn)和以上提到的最新發(fā)展趨勢的要求，用于醫療儀器設備的技術(shù)和系統也應該與這些特點(diǎn)和要求相適應。嵌入式系統應用于醫療儀器設備，符合發(fā)展趨勢帶來(lái)的要求和變化。

醫療儀器領(lǐng)域大量醫療儀器的應用，如心臟起搏器、放射設備及分析監護設備，都需要嵌入式系統的支持。各種化驗設備，如肌動(dòng)電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計等，都需要使用高性能的、專(zhuān)用化的DSP系統來(lái)提高其精度和速度。引入嵌入式系統后，現有的各種監護儀的發(fā)往HOST。

采用Cypress公司的AN2131Q作為USB通信芯片。AN2131Q功能框圖如圖3。該芯片的主要特性為：

● 改進(jìn)的8051內核。性能可達到標準8051的5~10倍，與標準8051的指令完全兼容；

● 高度集成。傳統USB外設的硬件設計通常包括非易失性存儲器(如EPROM、EEPROM、FLASH ROM)、微處理器、RAM、SIE(串行接口引擎)和DMA等。EZ-USB將上述多個(gè)模塊集成在一個(gè)芯片中，從而減少了各芯片接口部分時(shí)序配合時(shí)的麻煩；

● USB 內核。AN2131Q可以代替USB外設開(kāi)發(fā)者完成USB協(xié)議中規定的80%~90%的通信工作，使得開(kāi)發(fā)者不需要深入了解USB的低級協(xié)議即可順利地開(kāi)發(fā)出所需要的USB外設；

● Cypress公司的EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。這種設計不受端點(diǎn)數目、緩沖區大小及傳輸速度的限制;

● 軟配置。外設未通過(guò)USB接口連接到PC機之前，外設上的固件存儲在PC上；一旦外設接到PC機上，PC讀取設備描述符，然后將該外設的固件下載到EZ-USB的RAM中并執行，這個(gè)過(guò)程叫做再枚舉。這種基于RAM的軟配置方法，可以允許無(wú)限的配置和升級。

● 易用的軟件開(kāi)發(fā)工具。固件可獨立于驅動(dòng)程序被測試。驅動(dòng)程序和固件的開(kāi)發(fā)與調試相互獨立，可加快開(kāi)發(fā)的速度。

AN2131Q屬于Cypress公司EZ-USB系列，其驅動(dòng)在Cypress公司提供的例程中略加改動(dòng)即可使用，簡(jiǎn)單可靠，編輯、編譯工具為Microsoft的VC++6.0和98DDK，調試工具采用SOFTICE。驅動(dòng)程序為上層應用程序提供了很多API接口。

數據采集子系統與處理子系統的通信與同步

本系統有采樣速率快，數據量大的特點(diǎn)。本系統中，8位ADC的采樣頻率為100MHz，采樣寬度為每次20ms，那么每次采樣得到數據為100MHz*20ms=2KB；Trigger信號脈沖寬度采用50ms，由此可計算出每幀數據量為2KB * 50ms * 10KHz = 1M。數據處理采用的DSP芯片滿(mǎn)足這個(gè)速率要求，但是還要通過(guò)USB把數據傳向主機，而系統采用的AN2131Q為USB1.1協(xié)議芯片，經(jīng)過(guò)測算其達不到理論的1Mb/s，因此，兩個(gè)子系統之間必須通過(guò)緩沖器進(jìn)行通信。目前常用的多處理器間通信方法有三種：雙口RAM； 高速FIFO； 總線(xiàn)開(kāi)關(guān)加存儲器。

其中前兩者相對簡(jiǎn)單，容易控制，但是由于目前雙口RAM和FIFO的速率和容量都達不到本系統的要求，因此最終選用最后一種方法，即高速RAM加總線(xiàn)開(kāi)關(guān)的方法，由CPLD系統和DSP分時(shí)訪(fǎng)問(wèn)RAM。CPLD在START電平變低之后，地址線(xiàn)輸出高阻，此時(shí)ADC的數據輸出也是高阻，此時(shí)DSP才開(kāi)始從RAM讀數據，這一邏輯保證了不會(huì )發(fā)生總線(xiàn)沖突。

高速DSP系統與AN2131Q的通信控制

通過(guò)一片數據鎖存器作為緩沖器，利用TMS320C5409的XF和BIO引腳和AN2131Q的兩個(gè)IO口作為握手引腳；同時(shí)，DSP利用中斷來(lái)管理數據傳輸；AN2131Q則通過(guò)輪循來(lái)管理數據傳輸。

系統整體調試

由于要采集的信號頻率較高，因此，電路板的抗高頻干擾問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)測試，高頻信號在系統中沒(méi)有產(chǎn)生影響系統整體性能的干擾。用HP信號發(fā)生器分別產(chǎn)生500KHz、5MHz、10MHz、20MHz的信號進(jìn)行測試，DSP子系統暫時(shí)沒(méi)有對信號進(jìn)行預處理而是原樣不動(dòng)的發(fā)給USB通信芯片(信號處理函數暫時(shí)設為空參數)。在應用程序中，上層軟件利用多線(xiàn)程處理技術(shù)，把采集到的信號同時(shí)進(jìn)行分析、顯示、存儲等，系統達到了令人滿(mǎn)意的實(shí)時(shí)性。