基于单片机及CPLD的B超检测工装设计
摘要： 超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处会产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，从而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。B超是超声诊断仪中的一种显示模式。
引言
超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处会产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，从而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。B超是超声诊断仪中的一种显示模式。
B超工作过程为：当探头获得激励脉冲后发射超声波(同时探头受聚焦延迟电路控制，实现声波的声学聚焦)，经过一段时间延迟后再由探头接收反射回的回声信号，经过滤波、对数放大等信号处理。然后由DSC电路进行数字变换形成数字信号，在CPU控制下进一步进行图像处理，再同图像形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器，形成我们所熟悉的B超图像，也称二维黑白超声图像。
由于B超中为了增强图像分辨率，通道都比较多，大多是16、24、48、64甚至更多通道。这些通道电子元器件完全一样，要求各通道的一致性要好，在装整机前，最好有测试手段和方法，对所有通道能进行测试，以去除器件本身和焊接电路板中出现的问题，基于此目的，本人设计了B超检测工装。
工装设计需求
本工装设计要求为24通道、探头为96阵元的B超板AFE9*进行测试，AFE9*包含高压发射电路、继电器切换、高压模拟开关切换、前放电路和VGA电路。
发射工装要求
高压发射电路、高压模拟开关电路、继电器切换电路测试，这几者必须同时进行检测，要设计发射工装板、继电器控制测试电路、高压模拟控制电路、探头接口高压波形测量电路。具体包括：高压发射电路工装(简称发射工装)，1~24通道的发射驱动及切换电路;高压模拟开关控制电路工装(简称开关工装)，控制任何一个通道的开通或者关断，实际使用时只控制某一个通道的开通，其他的通道关断，相应地发射控制也只开通对应的一路，其他的驱动设置为无效;继电器控制测试工装(简称继电器工装)，提供继电器组开通或关断的控制信号;探头接口的波形测量电路工装(简称探头波形工装)，包含96~1的切换电路，使得得到发射的阵元位置波形可以切换到示波器显示测量出来。
接收工装要求
VGA测试：VGA测试主要验证放大电路的功能和准确性，需要提供给每一路VGA模拟输入信号，并通过示波器检测。通过探头接口可以将测试信号施加进去，但是必须要对高压模拟开关进行相应控制，使得每一路VGA获得准确的输入。具体包括：波形发生器工装，提供96路的模拟正弦波形，频率3.5MHz，幅度P-P 在1V~1.2V，可实现负载短路保护，允许有几十欧姆的输出阻抗;高压模拟开关控制及VGA增益控制工装(简称开关增益工装)，提供AFE9*上高压模拟开关电路的控制信号，并提供VGA的增益控制信号，增益控制信号可以是锯齿波，幅度值最低应大于0.2V，最大值应不大于2.5V，锯齿波周期为50?s。
硬件电路设计
图1所示为发射、接收工装设计电路中主控部分原理图。其中，发射部分原理图见图2，接收部分原理图见图3。需要注意的是，发射和接收有一部分电路是共用的。这3个电路主要包括用于控制自动检测的微处理器AT89S52，用数码管前2位显示探头00或01，即PROBE A或PROBE B。数码管后2位显示1~96，即1~96通道。Alter公司的CPLD(EPM7064)用于产生周期20ms、脉宽330ns的2个方向相反、有死区时间的脉冲，用于发射通道的发射波形。工装板用了18个8通道高压开关HV20220，其中6个用于控制双1~24通道数字开关切换电路，其余的12个用于探头96个阵元选1的切换。发射和接收的控制回路基本一样，需要改变的是2个双刀双掷开关S1、S2的拨动方向，接收工装的发射波形是正弦波，由函数发生器芯片MAX038产生。本设计留有单片机AT89S52与上位机的通讯接口，可以通过上位机编程，利用图形界面控制本工装，只需软件编程即可。本文采用上电自动检测和手工检测这两种模式，没有使用上位机控制模式。
图1 发射、接收工装设计电路中主控部分原理图
发射和接收工装都需要把发射波形或接收波形经过控制后，通过转接线JP3~JP7及JP10和需要检测的实际B超板相接，来检测B超板(图1~图3中未给出JP3~JP7及JP10连接线的插座)。
发射工装设计
图1中，U1(7400)与非门电路和12MHz晶振组成晶体振荡器，给EPM7064的全局时钟端43脚提供时钟信号。EPM7064的21脚和25脚输出周期20ms、脉宽330ns、带660ns死区时间的2个方向相反的脉冲信号，经同向放大器U21(74F07)驱动后得到IPA和INB，加到双刀双掷开关S1上(在图2中，S1此时需拨到发射位置)。IPA经S1加到U3、U4、U5这3个高压开关HV20220上，3个高压开关的所有输出都接在了一起，而且这3个高压开关接成菊花瓣形式，即下一个开关的数据输入端DIN，接前一个开关的数据输出端DOUT。在微处理器AT89S52的控制下，给出SDATA1， SCLK1， SLD1，RESET1切换电路的串行控制信号，使3个高压开关的输入端依次和自己的输出端闭合，如U3的7脚和8脚，此时，IPA信号送给了IP001。但需注意的是，在同一时间，3个高压开关的24个通道只有一个是可以闭合的，其余的都断开。INB的过程和IPA的过程完全一样，在IP001得到IPA信号的同时，IN001也得到了INB信号。IP001~IP024依次得到IPA信号，IN001~IN024则依次得到INB信号。IP001~IP024和IN001~IN024通过转接头JP3 、JP4 送到B超的AFE9*板上。在AFE9*板上经过MD1211驱动，驱动内置场效应管芯片C6320，得到工装发出的两个带死区时间、方向相反并经MD1211放大后合成的波形。再经过AFE9*板上的12个高压开关HV20220切换，根据继电器切换选择探头A或探头B输出。在微处理器AT89S52的控制下，给继电器组开通或关断信号SRELAY：SRELAY=0时，探头A开;SRELAY=1时，探头B开通。同时又发出SDATA2，SCLK2，SLD2，RESET2串行控制信号，通过JP10转接线去控制AFE9*板上高压模拟开关HV20220。经过AFE9*板放大控制的信号，再通过转接线JP5、JP6、JP7送到工装板上12个高压开关U12~U20上(在图3中，只给出了U18~U20)，最后通过双刀双掷开关S2(此时应该拨到发射位置)，接在J3端的示波器就能看到需要的合成波形。U12~U20在微处理器AT89S52的控制下，给出SDATA3， SCLK3， SLD3，RESET3串行控制信号，达到96选1的目的。
图2 发射、接收工装设计电路中发射部分原理图
接收工装设计
图3中，U25(MAX038)是函数发生器产生芯片，其3脚A0、4脚A1是输出波形选择端，输出波形的选择由逻辑地址引脚A0和A1的组合来决定：A1A0=10或11时，输出正弦波;A1A0=00时，输出方波;A1A0=01时输出三角波。波形切换可在0.3μs内完成，但输出波形有0.5μs的延迟时间。MAX038的19脚是波形输出端，本设计输出正弦波，频率为3.5MHz，幅度P-P 在1V左右。此正弦波通过双刀双掷开关S2(此时应该拨到接收位置)，在微处理器AT89S52的控制下，给出SDATA3， SCLK3， SLD3，RESET3串行控制信号，控制U12~U20，将此正弦波切换到(96选1)探头上，即PA0~PA95分别得到此正弦波，通过转接线JP5、JP6、JP7送到AFE9*板。根据转接线JP5、JP6、JP7接到该探头，和微处理器用继电器控制其工作。正弦波经过12个高压开关HV20220(和发射时是同一组高压开关)，经过发射、接收隔离电路得到接收信号(这里是我们工装给出的正弦波)，再通过AFE9*板上的前放电路放大，通过工装上转接线JP3、JP4送到图2中发射工装上的U3~U5的IP001~IP024端和U6~U8的IN001~IN024端。同样在微处理器AT89S52的控制下，高压开关轮流导通，此时高压开关的另一端IP和IN得到正弦波，经过双刀双掷开关S1(S1此时需拨到接收位置)。在J1接双踪示波器就能看到差分的2个正弦波。三极管Q5发射极输出TGC增益控制信号，通过转接线JP10送到AFE9*板上的前放电路的增益控制端，控制接收信号的幅度。
图3 发射、接收工装设计电路中接收部分原理图
软件设计
本工装使用CPLD产生发射波形，使用微处理器AT89S52控制整个工装板，还给要测试的B超板(AFE9*)提供继电器和高压开关的切换指令。
发射波形的产生
周期20ms、脉宽330ns、带660ns死区时间的2个方向相反的脉冲信号，是用Verilog HDL语言编写，由EPM7064的21脚和25脚输出。源码如下：
module pwm(clock，pwm_out，pwm_out1);
input clock;
output pwm_out;
output pwm_out1;
reg [20:0] count;
reg pwm_reg;
reg pwm_reg1;
always @ (posedge clock)
begin
count=count+1;
if (count<4) //330ns脉宽
begin
pwm_reg=1;
pwm_reg1=1;
end
else if (count<12)//660ns死区时间
begin
pwm_reg=0;
pwm_reg1=1;
end
else if(count<21'd16) //330ns负脉冲
begin
pwm_reg=0;
pwm_reg1=0;
end
else if(count==21'd240000)//12M晶振，12000000/240000=50Hz，即20毫秒
begin
unt=21'd000000;
pwm_reg=1;
pwm_reg1=1;
end
else
begin
pwm_reg=0;
pwm_reg1=1;
end
end
assign pwm_out=pwm_reg;
assign pwm_out1=pwm_reg1;
endmodule
微处理器AT89S52控制代码
微处理器AT89S52外接3个轻触开关S3、S4、S5，S3接外中断0，用于继电器控制，上电默认选择探头1(PROBE A)，按下S3，则选择探头2(PROBE B)，再次按下无效(防止带电换探头)。再重新上电，才能选择探头1。S4接外中断1，上电默认24个通道、96阵元是每隔2s自动检测的，若需要人工检测，则按下S4，此时，每按一次S4，则检测下一通道和阵元。S5是复位开关。根据硬件连接，设置如下：
uchar m=0;//用于96阵元的选择
uchar n=0;//默认选择探头1
uchar l=0;//用于24通道的选择
uchar k;
sbit SDATA1= P1^0; //移位数据1
sbit SCLK1= P1^1; //移位时钟1
sbit SLD1= P1^2; //移位锁定
sbit RESET1=P1^3;//复位1
sbit SDATA3= P1^4; //移位数据3
sbit SCLK3= P1^5; //移位时钟3
sbit SLD3= P1^6; //移位锁定
sbit RESET3=P1^7;//复位3
sbit SDATA2= P0^0; //移位数据2
sbit SCLK2= P0^1; //移位时钟2
sbit SLD2= P0^2; //移位锁定
sbit RESET2=P0^3;//复位2
sbit SRELAY=P0^4;//探头继电器选择
定时器自动检测子程序
void serves_timer2() interrupt 5 using 0
{
EA=0;
TF2=0;
k=k+1;
if(k==40)//2秒
{ k=0;
m=m+1;
l=l+1;
if( m>96) m=1;
if (l>24) l=1;
DELAY1s( );
for (j=0;j<8;j++)
{
HV20220_1(l) ;
HV20220_2( m) ;
HV20220_3(m);
}
}
else{}
EA=1;
}
在本程序中，if( m>96) m=1;if (l>24) l=1; 即：96个阵元是对应24个通道的，在实际的B超工作过程中，一个通道工作的时候，同时会有4个按一定规律排列的阵元在工作。本工装不仅独立检测24个通道的每个通道，同时还检测96个阵元中的每一个，因此，检测96个阵元，24个通道运行了4次。
轻触开关S4外中断1子程序
void serves_int1() interrupt 2 using 2//外中断1
{
EA=0;
TR2=0;//停止计数
m=m+1;
l=l+1;
if( m>96) m=1;
if (l>24) l=1;
DELAY1s( );
for (j=0;j<8;j++)
{
HV20220_1(l) ;
HV20220_2( m) ;
HV20220_3(m);
}
EA=1;
}
轻触开关S3外外中断0子程序
void serves_int0() interrupt 0 using 0//外中断0
{
EA=0;
n=1;//显示01
SRELAY=1;//选择探头2
DELAY1s( );
EA=1;
}
工装先检测探头1，探头1的96个阵元都检测通过后，断电，将探头转接线放到探头2的位置;上电，按下轻触按钮S3，此时数码管前2位显示01，是选择探头2的标志。微处理器控制继电器把所有通道都转接到探头2的测量上。
高压开关HV20220的驱动函数
函数HV20220_1(uchar dd)的功能：打开CPLD波形发生器(工装)1选24的高压开关。
函数HV20220_2(uchar dd)的功能：打开主系统板(AFE9*)上的高压开关。
函数HV20220_3(uchar dd)功能：打开探头上(工装)来的96选1的高压开关。
以驱动HV20220_1为例，其它2个和此类似。
void HV20220_1(uchar dd)
{
uchar i;
SLD1=1;
for (i=0;i<96;i++) {
SCLK1=0;
data10=0;
SDATA1 = data10;
SCLK1=1;
_Nop( );
_Nop( );
}
for (i=0;i
SCLK1=0;
if (i==0) data10=1;
else data10=0;
SDATA1 = data10;
SCLK1=1;
_Nop( );
_Nop( );
}
RESET1=0;
_Nop( );
_Nop( );
RESET1=1;
_Nop( );
_Nop( );
_Nop( );
_Nop( );
RESET1=0;
_Nop( );
_Nop( );
SLD1=0;
_Nop( );
_Nop( );
_Nop( );
_Nop( );
SLD1=1;
}
使用发射、接收工装检测B超通道
B超发射通道检测
连接工装和B超，检测装置连接完毕后，检查开关S1、S2位置在“发射”挡，示波器接J3。
1. AFE9*工装板显示屏全亮，3秒种之后，重新显示0000。
2. 经过2秒钟后，机器自动进入检测状态，显示屏显示0001，紧接着示波器显示正负脉冲波形，如图4所示，表示第1通道电路正常。
图4 示波器显示正负脉冲波形
3. 经过2秒钟，再次自动进入检测状态，显示屏显示0002，紧接着示波器显示正负脉冲波形，表示第2通道电路正常。
4. 继续等待检测装置自动重复上述过程，直到显示器显示0096，紧接着示波器显示正负脉冲波形，表示第96通道电路正常。至此，确认探头1接口发射工作正常。
5. 断电，将“探头转接板”插接到“主控系统探头板”的探头2上。在检测装置连接完毕后上电，点击工装板上触发开关S3，显示屏显示0100，然后重复上述2～4过程，确认探头2接口发射工作正常，此过程显示屏显示数字是0101～0196。
B超接收通道检测
连接工装和B超检测装置完毕后，开关S1、S2位置在“接收”挡，示波器接J1。按B超发射通道检测中1~5的步骤进行，此时示波器显示的波形是正弦波，如图5所示。
图5 示波器显示检测波形
结束语
本文介绍了B超板AFE9*进行全自动检测的工装设计，经检测，达到了设计要求，可为其它厂家设计的B超检测提供参考帮助。按照本文思路，根据实际的B超接口，只需设计好各种转接板或转接线，就可以对B超板进行全面的检测。
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