《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PXIe的CMUT多通道超声收发板卡设计与实现
电子技术应用
吴帅琦,何常德,孙帅文,卢小星,张国军,张文栋
中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室
摘要: 为实现基于电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列探头的多通道脉冲发射、数据采集、存储、传输与分析,设计了一款基于PXIe总线的32通道的超声收发一体板卡。该板卡采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主控制器,具备发射和接收两种工作模式,通过T/R开关切换,在发射模式下,驱动CMUT阵列探头发射超声波信号,在采集模式下,接收CMUT的模拟回波信号,并由ADC转换成14位的数字信号,编帧打包经DDR3缓存,通过PXIe接口传输至PC。对系统硬件电路和FPGA逻辑设计作了阐述,并通过驱动CMUT线阵,对亚力克板进行测试。测试结果表明,该板卡的设计满足CMUT阵列探头的使用需求,而且该系统可拓展更多通道。该板卡为精细化的超声影像检测、无损检测提供了硬件支持。
關(guān)鍵詞: FPGA PXIE CMUT 多通道 数据采集
中圖分類號:TB51+7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245866
中文引用格式: 吳帥琦,何常德,孫帥文,等. 基于PXIe的CMUT多通道超聲收發(fā)板卡設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2025,51(2):102-107.
英文引用格式: Wu Shuaiqi,He Changde,Sun Shuaiwen,et al. Design and implementation of CMUT multi-channel ultrasonic transceiver board based on PXIe[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(2):102-107.
Design and implementation of CMUT multi-channel ultrasonic transceiver board based on PXIe
Wu Shuaiqi,He Changde,Sun Shuaiwen,Lu Xiaoxing,Zhang Guojun,Zhang Wendong
State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China
Abstract: To enable multi-channel pulse transmission, data acquisition, storage, transmission, and analysis based on a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) array, a 32-channel ultrasound transceiver board was designed based on the PXIe bus. This board utilizes a field-programmable gate array (FPGA) as the main controller and supports both transmission and reception modes. The modes are switched via a T/R switch. In transmission mode, the board drives the CMUT array to emit ultrasonic signals. In reception mode, it receives the analog echo signals from the CMUT, converts them into 14-bit digital signals via an ADC, frames and packages the data, buffers it through DDR3 memory, and transmits it to a PC via the PXIe interface. The paper elaborates on the system’s hardware circuits and FPGA logic design and verifies the design by driving a CMUT linear array to test an acrylic board. The test results demonstrate that the board meets the requirements of the CMUT array, and the system can be expanded to support more channels. This board provides hardware support for high-resolution ultrasound imaging and non-destructive testing applications.
Key words : FPGA;PXIe;CMUT;multi-channel;data acquisition;ultrasound imaging system

引言

超聲作為一種經(jīng)濟高效的成像方式,提供了實時交互式可視化的能力[1]。超聲成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、水下探測和無損檢測[2-4]等。在超聲研究領(lǐng)域的最新發(fā)展中,多通道系統(tǒng)使超聲成像技術(shù)更為快速且便捷,通過使用多通道系統(tǒng)平臺,可以完全訪問所有傳感器陣元,從而最自由地保證新應(yīng)用程序的開發(fā)[5]。

隨著微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的長足發(fā)展,利用 MEMS 微加工技術(shù)制作的微電容超聲換能器具有寬頻帶、高靈敏度、低功耗、低成本、高一致性、高密度集成等優(yōu)勢[6]。CMUT制作工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料不同,CMUT的性能也不同[7],醫(yī)學(xué)超聲成像應(yīng)用于2~10 MHz 的超聲換能器[8],水下超聲成像應(yīng)用于2 MHz 以下的超聲換能器[9]。CMUT在醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域中具有很好的成本和性能優(yōu)勢,利用MEMS技術(shù)能夠研制滿足更高分辨率、更高精度、全自動電子掃描超聲 CT 成像系統(tǒng)的傳感器。此外,CMUT在無損檢測領(lǐng)域中逐漸嶄露頭角,CMUT特別適用于實現(xiàn)小孔徑和具有大量元件的陣列,多用于距離、液位和流速測量[10-12]。

本文設(shè)計了一款基于PXIe接口和 FPGA 控制的 CMUT多通道超聲收發(fā)板卡,具有成本低、高速傳輸、可靠性強的特點,實現(xiàn)了對CMUT陣列的脈沖發(fā)射、回波采集、數(shù)據(jù)打包、傳輸?shù)裙δ?,并且采用PXIE高性能模塊化的設(shè)計理念,為拓展更多通道奠定了基礎(chǔ),在醫(yī)學(xué)超聲成像,無損檢測等領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。


本文詳細(xì)內(nèi)容請下載:

http://ihrv.cn/resource/share/2000006334


作者信息:

吳帥琦,何常德,孫帥文,盧小星,張國軍,張文棟

(中北大學(xué) 省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室,山西 太原 030051)


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