單片機及CPLD設計的B超檢測工裝技術

超聲波在兩種不同組織界面處會產生反射、折射、散射、繞射、衰減以及聲源與接收器相對運動產生多普勒頻移等物理特性。應用不同類型的超聲診斷儀，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，結合病理學、臨床醫學，觀察、分析、總結不同的反射規律，從而對病變部位、性質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超工作過程為：當探頭獲得激勵脈沖后發射超聲波（同時探頭受聚焦延遲電路控制，實現聲波的聲學聚焦），經過一段時間延遲后再由探頭接收反射回的回聲信號，經過濾波、對數放大等信號處理。然后由DSC電路進行數字變換形成數字信號，在CPU控制下進一步進行圖像處理，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，對所有通道能進行測試，以去除器件本身和焊接電路板中出現的問題，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進行測試，AFE9624包含高壓發射電路、繼電器切換、高壓模擬開關切換、前放電路和VGA電路。

發射工裝要求

高壓發射電路、高壓模擬開關電路、繼電器切換電路測試，這幾者必須同時進行檢測，要設計發射工裝板、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：高壓發射電路工裝（簡稱發射工裝），1~24通道的發射驅動及切換電路；高壓模擬開關控制電路工裝（簡稱開關工裝），控制任何一個通道的開通或者關斷，實際使用時只控制某一個通道的開通，其他的通道關斷，相應地發射控制也只開通對應的一路，其他的驅動設置為無效；繼電器控制測試工裝（簡稱繼電器工裝），提供繼電器組開通或關斷的控制信號；探頭接口的波形測量電路工裝（簡稱探頭波形工裝），包含96~1的切換電路，使得得到發射的陣元位置波形可以切換到示波器顯示測量出來。

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，并通過示波器檢測。通過探頭接口可以將測試信號施加進去，但是必須要對高壓模擬開關進行相應控制，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，可實現負載短路保護，允許有幾十歐姆的輸出阻抗；高壓模擬開關控制及VGA增益控制工裝（簡稱開關增益工裝），提供AFE9624上高壓模擬開關電路的控制信號，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所示為發射、接收工裝設計電路中主控部分原理圖。其中，發射部分原理圖見圖2，接收部分原理圖見圖3。需要注意的是，發射和接收有一部分電路是共用的。這3個電路主要包括用于控制自動檢測的微處理器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)用于產生周期20ms、脈寬330ns的2個方向相反、有死區時間的脈沖，用于發射通道的發射波形。工裝板用了18個8通道高壓開關HV20220，其中6個用于控制雙1~24通道數字開關切換電路，其余的12個用于探頭96個陣元選1的切換。發射和接收的控制回路基本一樣，需要改變的是2個雙刀雙擲開關S1、S2的撥動方向，接收工裝的發射波形是正弦波，由函數發生器芯片MAX038產生。本設計留有單片機AT89S52與上位機的通訊接口，可以通過上位機編程，利用圖形界面控制本工裝，只需軟件編程即可。本文采用上電自動檢測和手工檢測這兩種模式，沒有使用上位機控制模式。


圖1 發射、接收工裝設計電路中主控部分原理圖

發射和接收工裝都需要把發射波形或接收波形經過控制后，通過轉接線JP3~JP7及JP10和需要檢測的實際B超板相接，來檢測B超板（圖1~圖3中未給出JP3~JP7及JP10連接線的插座）。

發射工裝設計

圖1中，U1(7400)與非門電路和12MHz晶振組成晶體振蕩器，給EPM7064的全局時鐘端43腳提供時鐘信號。EPM7064的21腳和25腳輸出周期20ms、脈寬330ns、帶660ns死區時間的2個方向相反的脈沖信號，經同向放大器U21(74F07)驅動后得到IPA和INB，加到雙刀雙擲開關S1上（在圖2中，S1此時需撥到發射位置）。IPA經S1加到U3、U4、U5這3個高壓開關HV20220上，3個高壓開關的所有輸出都接在了一起，而且這3個高壓開關接成菊花瓣形式，即下一個開關的數據輸入端DIN，接前一個開關的數據輸出端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個高壓開關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，IPA信號送給了IP001。但需注意的是，在同一時間，3個高壓開關的24個通道只有一個是可以閉合的，其余的都斷開。INB的過程和IPA的過程完全一樣，在IP001得到IPA信號的同時，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通過轉接頭JP3 、JP4 送到B超的AFE9624板上。在AFE9624板上經過MD1211驅動，驅動內置場效應管芯片C6320，得到工裝發出的兩個帶死區時間、方向相反并經MD1211放大后合成的波形。再經過AFE9624板上的12個高壓開關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，給繼電器組開通或關斷信號SRELAY：SRELAY=0時，探頭A開；SRELAY=1時，探頭B開通。同時又發出SDATA2,SCLK2,SLD2,RESET2串行控制信號，通過JP10轉接線去控制AFE9624板上高壓模擬開關HV20220。經過AFE9624板放大控制的信號，再通過轉接線JP5、JP6、JP7送到工裝板上12個高壓開關U12~U20上（在圖3中，只給出了U18~U20），最后通過雙刀雙擲開關S2(此時應該撥到發射位置)，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 發射、接收工裝設計電路中發射部分原理圖

接收工裝設計

圖3中，U25(MAX038)是函數發生器產生芯片，其3腳A0、4腳A1是輸出波形選擇端，輸出波形的選擇由邏輯地址引腳A0和A1的組合來決定：A1A0＝10或11時，輸出正弦波；A1A0＝00時，輸出方波；A1A0＝01時輸出三角波。波形切換可在0.3μs內完成，但輸出波形有0.5μs的延遲時間。MAX038的19腳是波形輸出端，本設計輸出正弦波，頻率為3.5MHz，幅度P-P 在1V左右。此正弦波通過雙刀雙擲開關S2(此時應該撥到接收位置)，在微處理器AT89S52的控制下，給出SDATA3, SCLK3, SLD3,RESET3串行控制信號，控制U12~U20，將此正弦波切換到（96選1）探頭上，即PA0~PA95分別得到此正弦波，通過轉接線JP5、JP6、JP7送到AFE9624板。根據轉接線JP5、JP6、JP7接到該探頭，和微處理器用繼電器控制其工作。正弦波經過12個高壓開關HV20220(和發射時是同一組高壓開關)，經過發射、接收隔離電路得到接收信號（這里是我們工裝給出的正弦波），再通過AFE9624板上的前放電路放大，通過工裝上轉接線JP3、JP4送到圖2中發射工裝上的U3~U5的IP001~IP024端和U6~U8的IN001~IN024端。同樣在微處理器AT89S52的控制下，高壓開關輪流導通，此時高壓開關的另一端IP和IN得到正弦波，經過雙刀雙擲開關S1（S1此時需撥到接收位置）。在J1接雙蹤示波器就能看到差分的2個正弦波。三極管Q5發射極輸出TGC增益控制信號，通過轉接線JP10送到AFE9624板上的前放電路的增益控制端，控制接收信號的幅度。


圖3 發射、接收工裝設計電路中接收部分原理圖

軟件設計

本工裝使用CPLD產生發射波形，使用微處理器AT89S52控制整個工裝板，還給要測試的B超板（AFE9624）提供繼電器和高壓開關的切換指令。

發射波形的產生

周期20ms、脈寬330ns、帶660ns死區時間的2個方向相反的脈沖信號，是用Verilog HDL語言編寫，由EPM7064的21腳和25腳輸出。源碼如下：

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脈寬

begin

pwm_reg=1;

pwm_reg1=1;

end

else if (count<12)//660ns死區時間

begin

pwm_reg=0;

pwm_reg1=1;

end

else if(count<21'd16) //330ns負脈沖

begin

pwm_reg=0;

pwm_reg1=0;

end

else if(count==21'd240000)//12M晶振，12000000/240000=50Hz，即20毫秒

begin

ount=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

微處理器AT89S52控制代碼

微處理器AT89S52外接3個輕觸開關S3、S4、S5，S3接外中斷0，用于繼電器控制，上電默認選擇探頭1（PROBE A），按下S3，則選擇探頭2（PROBE B），再次按下無效（防止帶電換探頭）。再重新上電，才能選擇探頭1。S4接外中斷1，上電默認24個通道、96陣元是每隔2s自動檢測的，若需要人工檢測，則按下S4，此時，每按一次S4，則檢測下一通道和陣元。S5是復位開關。根據硬件連接，設置如下：

uchar m=0;//用于96陣元的選擇

uchar n=0;//默認選擇探頭1

uchar l=0;//用于24通道的選擇

uchar k;

sbit SDATA1= P1^0; //移位數據1

sbit SCLK1= P1^1; //移位時鐘1

sbit SLD1= P1^2; //移位鎖定

sbit RESET1=P1^3;//復位1

sbit SDATA3= P1^4; //移位數據3

sbit SCLK3= P1^5; //移位時鐘3

sbit SLD3= P1^6; //移位鎖定

sbit RESET3=P1^7;//復位3

sbit SDATA2= P0^0; //移位數據2

sbit SCLK2= P0^1; //移位時鐘2

sbit SLD2= P0^2; //移位鎖定

sbit RESET2=P0^3;//復位2

sbit SRELAY=P0^4;//探頭繼電器選擇

定時器自動檢測子程序

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個陣元是對應24個通道的，在實際的B超工作過程中，一個通道工作的時候，同時會有4個按一定規律排列的陣元在工作。本工裝不僅獨立檢測24個通道的每個通道，同時還檢測96個陣元中的每一個，因此，檢測96個陣元，24個通道運行了4次。

輕觸開關S4外中斷1子程序

void serves_int1() interrupt 2 using 2//外中斷1

{

EA=0;

TR2=0;//停止計數

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;

}

輕觸開關S3外外中斷0子程序

void serves_int0() interrupt 0 using 0//外中斷0

{

EA=0;

n=1;//顯示01

SRELAY=1;//選擇探頭2

DELAY1s( );

EA=1;

}

工裝先檢測探頭1，探頭1的96個陣元都檢測通過后，斷電，將探頭轉接線放到探頭2的位置；上電，按下輕觸按鈕S3，此時數碼管前2位顯示01，是選擇探頭2的標志。微處理器控制繼電器把所有通道都轉接到探頭2的測量上。

高壓開關HV20220的驅動函數

函數HV20220_1(uchar dd)的功能：打開CPLD波形發生器(工裝)1選24的高壓開關。

函數HV20220_2(uchar dd)的功能：打開主系統板（AFE9624）上的高壓開關。

函數HV20220_3(uchar dd)功能：打開探頭上(工裝)來的96選1的高壓開關。

以驅動HV20220_1為例，其它2個和此類似。

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;

}

使用發射、接收工裝檢測B超通道

B超發射通道檢測

連接工裝和B超，檢測裝置連接完畢后，檢查開關S1、S2位置在“發射”擋，示波器接J3。

1. AFE9624工裝板顯示屏全亮，3秒種之后，重新顯示0000。

2. 經過2秒鐘后，機器自動進入檢測狀態，顯示屏顯示0001，緊接著示波器顯示正負脈沖波形，如圖4所示，表示第1通道電路正常。

圖4 示波器顯示正負脈沖波形

3. 經過2秒鐘，再次自動進入檢測狀態，顯示屏顯示0002，緊接著示波器顯示正負脈沖波形，表示第2通道電路正常。

4. 繼續等待檢測裝置自動重復上述過程，直到顯示器顯示0096，緊接著示波器顯示正負脈沖波形，表示第96通道電路正常。至此，確認探頭1接口發射工作正常。

5. 斷電，將“探頭轉接板”插接到“主控系統探頭板”的探頭2上。在檢測裝置連接完畢后上電，點擊工裝板上觸發開關S3，顯示屏顯示0100，然后重復上述2～4過程，確認探頭2接口發射工作正常，此過程顯示屏顯示數字是0101～0196。

B超接收通道檢測

連接工裝和B超檢測裝置完畢后，開關S1、S2位置在“接收”擋，示波器接J1。按B超發射通道檢測中1~5的步驟進行，此時示波器顯示的波形是正弦波，如圖5所示。


圖5 示波器顯示檢測波形

結束語

本文介紹了B超板AFE9624進行全自動檢測的工裝設計，經檢測，達到了設計要求，可為其它廠家設計的B超檢測提供參考幫助。按照本文思路，根據實際的B超接口，只需設計好各種轉接板或轉接線，就可以對B超板進行全面的檢測。