FPGA的B超成像系統(tǒng)圖像采集的原理和實(shí)現(xiàn)

1、引言

醫(yī)學(xué)超聲診斷成像技術(shù)大多數(shù)采用超聲脈沖回波法，即利用探頭產(chǎn)生超聲波進(jìn)入人體，由人體組織反射產(chǎn)生的回波經(jīng)換能器接收后轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過提取、放大、處理，再由數(shù)字掃描變換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，最后由顯示器進(jìn)行顯示。在基于FPGA+ARM 9硬件平臺的全數(shù)字化B超診斷儀中，前端探頭返回的回波電信號需由實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)進(jìn)行波束合成、相關(guān)處理、采集并傳輸至ARM嵌入式處理系統(tǒng)，視頻信號數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，因此選用FPGA+SRAM構(gòu)成實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，在速度和容量上都能滿足上述要求。主要介紹B超成像系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA進(jìn)行邏輯控制進(jìn)行超聲視頻圖像采集的原理和實(shí)現(xiàn)。

2、系統(tǒng)構(gòu)成工作原理

如圖1所示，采集系統(tǒng)首先由數(shù)字波束合成器對多通道超聲回波信號進(jìn)行波束合成，數(shù)字波束合成器對不同通道信號進(jìn)行延時(shí)，使同一點(diǎn)的信號同相相加，同時(shí)對多個(gè)通道的回波信號進(jìn)行空間域上的加窗，類似匹配濾波，可以提高信號的信噪比。然后對合成后的超聲視頻信號做一個(gè)幀相關(guān)的預(yù)處理，即圖像幀與幀之間對應(yīng)象素灰度上的平滑處理。因?yàn)榀B加在圖像上的噪聲是非相關(guān)且具有零均值的隨機(jī)噪聲，如果在相同條件下取若干幀的平均值來代替原圖，則可減弱噪聲強(qiáng)度。在幀相關(guān)過程中，F(xiàn)PGA要控制數(shù)據(jù)的讀取、處理以及存儲。在為了滿足視頻顯示的實(shí)時(shí)性，該采集系統(tǒng)采用雙幀存結(jié)構(gòu)的乒乓機(jī)制，由FPGA實(shí)現(xiàn)讀寫互鎖控制。經(jīng)幀相關(guān)處理完后的視頻數(shù)據(jù)交替寫入幀存A和幀存B，幀存讀控制器根據(jù)后端處理速度讀取幀存中的數(shù)據(jù)，送往DMA控制器，DMA控制器開啟DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FPGA實(shí)現(xiàn)讀寫控制時(shí)，為了避免同時(shí)對一個(gè)幀存進(jìn)行讀寫操作，需要設(shè)置讀寫互斥鎖進(jìn)行存儲器狀態(tài)切換。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字波束合成

對于具有128陣元和32收發(fā)通道的超聲探頭，在進(jìn)行32路AD轉(zhuǎn)換后，將其分為4組，每組8路接收通道，每組用一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，在該FPGA內(nèi)首先進(jìn)行接收延時(shí)和動(dòng)態(tài)聚焦再進(jìn)行加權(quán)求和，其后再進(jìn)行組間的求和產(chǎn)生超聲數(shù)字視頻信號。每一組的系統(tǒng)框圖如圖2所示：

對不同通道的回波信號進(jìn)行不同的延時(shí)是達(dá)到波束聚焦的關(guān)鍵，延時(shí)按精度可分為粗延時(shí)和細(xì)延時(shí)：粗延時(shí)用于控制A／D采樣的開始時(shí)間，精度為32 ns，延時(shí)參數(shù)由FPGA的片內(nèi)RAM中讀出，更換探頭時(shí)系統(tǒng)控制器將相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入這些RAM；細(xì)延時(shí)由采樣時(shí)鐘發(fā)生器根據(jù)不同的通道產(chǎn)生不同的A／D采樣時(shí)鐘，這些時(shí)鐘的相位互相錯(cuò)開，其錯(cuò)開的值剛好等于各陣元傳播延遲之差。考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及探測過程中深度的變化，需要采用動(dòng)態(tài)聚焦。動(dòng)態(tài)聚焦是在A／D采樣開始后，通過讀取動(dòng)態(tài)聚焦參數(shù)，在采樣的過程中控制采樣時(shí)鐘發(fā)生器實(shí)現(xiàn)。

8個(gè)通道的回波信號經(jīng)過A／D采樣后，送入FPGA，緩沖之后同步讀出進(jìn)入加權(quán)模塊，加權(quán)模塊由8個(gè)無符號為數(shù)字乘法器組成。回波信號分別與加權(quán)參數(shù)相乘后得到具有動(dòng)態(tài)聚焦和加權(quán)特性的數(shù)據(jù)。8組數(shù)據(jù)再經(jīng)過3級加法器就得到波束合成之后的超聲數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

3.2 幀相關(guān)處理

幀相關(guān)模塊如圖3所示，由幀相關(guān)控制器和一片存儲器組成，進(jìn)行幀相關(guān)的存儲器采用大小為256 kB的靜態(tài)存儲器(SRAM)。幀相關(guān)控制器由FPGA實(shí)現(xiàn)，完成地址產(chǎn)生、存儲器讀寫控制、幀相關(guān)計(jì)算功能，因?yàn)閷?shí)時(shí)性的要求，即保證送往后端雙幀存的數(shù)據(jù)不能中斷，所以考慮到對逐個(gè)象素?cái)?shù)據(jù)讀寫的同時(shí)就進(jìn)行相關(guān)處理，而且需要在同一個(gè)象素時(shí)鐘周期內(nèi)完成。讀寫控制器在1個(gè)象素時(shí)鐘周期的前半段需要讀出存儲器中的數(shù)據(jù)和當(dāng)前幀數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理；時(shí)鐘周期的后半段再將相關(guān)處理完的數(shù)據(jù)寫入存儲器以備后用，這樣送往后端雙幀存的數(shù)據(jù)依然是和象素時(shí)鐘對應(yīng)的連續(xù)象素?cái)?shù)據(jù)。

幀相關(guān)的工作流程如下：

　　(1)地址產(chǎn)生。地址的產(chǎn)生由一個(gè)象索計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，輸入信號為幀同步信號VS和象素時(shí)鐘CLK。前端提供的幀同步信號VS為該計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號，在每一幀的開始，計(jì)數(shù)器清零，然后根據(jù)象素時(shí)鐘CLK計(jì)數(shù)生成地址，每個(gè)象素時(shí)鐘周期內(nèi)地址不變，依據(jù)此地址進(jìn)行存儲器的讀寫。

　　(2)讀取已有數(shù)據(jù)及相關(guān)處理。在一個(gè)象素時(shí)鐘周期的前半段，也就是CLK跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，讀寫控制器輸出的讀信號OEl為有效，讀出前幀中一個(gè)象素的數(shù)據(jù)，送到FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的加法器的A口，與同時(shí)到達(dá)B口的當(dāng)前幀的對應(yīng)象素?cái)?shù)據(jù)相加平均。

　　(3)數(shù)據(jù)保存及傳輸。在同一個(gè)象素時(shí)鐘周期的后半段，也就是CLK跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，讀寫控制器輸出的寫信號WEl為有效，相關(guān)處理完的數(shù)據(jù)寫回原來的地址，同時(shí)該數(shù)據(jù)也送往幀存寫控制模塊。

3.3 幀存乒乓讀寫控制機(jī)制

超聲視頻圖像需要實(shí)時(shí)地采集并在處理后在顯示器上重建，圖像存儲器就必須不斷地寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)又要不斷地從存儲器讀出數(shù)據(jù)送往后端處理和顯示。另外，為了滿足這種要求，可以在采集系統(tǒng)中設(shè)置2片容量一樣的幀存，通過乒乓讀寫機(jī)制來管理，結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了確保任何時(shí)刻，只能有1片幀存處于寫狀態(tài)，設(shè)置1個(gè)寫互斥鎖；同時(shí)，只能有1片幀存處于讀狀態(tài)，設(shè)置一個(gè)讀互斥鎖。在系統(tǒng)初始時(shí)，1片幀存為等待寫狀態(tài)，另1片為等待讀狀態(tài)；開始工作后，2片都處于讀寫狀態(tài)輪流轉(zhuǎn)換的過程，轉(zhuǎn)換的過程相同，但是2片狀態(tài)相錯(cuò)開，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)能連續(xù)地寫入和讀出幀存。該機(jī)制如圖4所示，工作流程為：

??? (1)采集過程未開始，幀存A為等待寫狀態(tài)，獲得寫互斥鎖；幀存B為等待讀狀態(tài)，獲得讀互斥鎖；

　　(2)幀存寫控制器收到一幀開始信號，判斷為采集開始，設(shè)置幀存A寫信號WE2 A有效，幀存A開始寫入當(dāng)前幀數(shù)據(jù)；同時(shí)幀存讀控制器設(shè)置幀存B讀信號OE2_B有效，幀存B則開始讀出所存數(shù)據(jù)；

　　(3)一幀結(jié)束，幀存A寫結(jié)束，釋放寫互斥鎖；幀存B讀結(jié)束，釋放讀讀斥鎖；

　　(4)等待另一幀開始，幀存A獲得讀互斥鎖；幀存B獲得寫讀斥鎖；

　　(5)另一幀開始，寫控制器設(shè)置幀存B寫信號WE2B有效，幀存B開始寫入數(shù)據(jù)；讀控制器設(shè)置幀存A讀信號OE2 A有效，幀存A則開始讀出數(shù)據(jù)。

3.4 DMA傳輸

對整個(gè)B超診斷儀來說，系統(tǒng)要完成視頻圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和指定的處理，高性能ARM處理器的處理能力可達(dá)每秒數(shù)百萬條指令，因此數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)速度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ARM處理系統(tǒng)與外部的數(shù)據(jù)傳輸可以通過CPU訪問外部存儲器的方法實(shí)現(xiàn)，但是效率低下，不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，而DMA數(shù)據(jù)傳輸以不占用CPU時(shí)間和單周期吞吐率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在實(shí)時(shí)視頻圖像采集系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是因?yàn)镈MA的傳輸速率和前端視頻圖像數(shù)據(jù)的輸入速率不匹配，很難發(fā)揮出DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢。由可編程的FPGA控制SRAM組成的雙幀存可以很好地解決這個(gè)問題；此外，F(xiàn)PGA內(nèi)部嵌入了一定數(shù)量的RAM，可以經(jīng)過配置成緩沖存儲器，通過靈活的邏輯結(jié)構(gòu)可以方便地實(shí)現(xiàn)對輸入輸出數(shù)據(jù)流的控制，成為連接ARM處理系統(tǒng)和SRAM的紐帶和橋梁。

4、結(jié)語

在B超數(shù)字視頻圖像實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)中采用FPGA作為采集控制部分，首先可以提高系統(tǒng)處理的速度及系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性：由于在FPGA和ARM處理系統(tǒng)之間采用SRAM做數(shù)據(jù)緩沖，并用DMA方式進(jìn)行傳輸，大大提高系統(tǒng)的性能；由于采用FPGA可編程邏輯器件，對于不同的超聲視頻信號，只要在FPGA內(nèi)對控制邏輯稍做修改，便可實(shí)現(xiàn)信號采集；FPGA的外圍硬件電路簡單，因而在硬件設(shè)計(jì)中，可以大大減小硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。而FPGA的時(shí)序邏輯調(diào)試可在軟件上仿真實(shí)現(xiàn)，因而降低硬件調(diào)試難度。