??? 摘? 要： 針對多通道超聲波應用提出了一種USB+FPGA+DSP的架構，模擬前端可實現8通道高速數據采集，并可實現線性增益和可變采樣率。FPGA為系統的控制核心，同時進行信號預處理方面的工作，而DSP著重于復雜算法的應用。最后通過已知信號對整個系統進行測試，驗證了該系統性能良好，具有很高的實用價值。?
??? 關鍵詞： FPGA；DSP；USB；超聲波；高速A/D
?
??? 通常，頻率高于20 000 Hz的聲波稱為“超聲波”。超聲波的波長比一般聲波短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，已被廣泛用于醫療和工業方面，如：超聲波探傷、測距、超聲焊接、清洗、醫療成像等。?
??? 在傳統的超聲波儀器中，一般只采用DSP或只采用FPGA，且大部分采集數據要到PC機上進行算法分析。隨著超聲應用的深入和超聲設備功能的改進，新型的超聲波系統處理任務加重和復雜度加深，需要更快的數據處理能力。如果將數據傳到PC機上進行處理，則難以滿足實時性方面的要求。?
??? 本文提出了USB+FPGA+DSP的架構，設計了一種新型8通道超聲數據并行采集處理系統。由FPGA配合DSP進行數據采集、預處理等, 發揮了FPGA并行高速處理的優勢，而將一些稍微復雜的算法在DSP中實現，提高了算法性能，最后將處理結果通過USB送到PC進行分析。這種任務硬件分配方法可使系統性能得到很大提高。?
1 系統描述?
??? 在多通道超聲波應用中，高速A/D技術、大容量緩沖技術以及信號的實時處理、分析技術是超聲設備的關鍵，也是整個系統的瓶頸所在。本文的設計能夠實現這些技術的融合。系統框圖如圖1所示。?
?
?
??? 首先，從超聲波接收電路收到的微弱電壓信號進入8通道的可變增益運放進行放大；然后交流耦合到8通道AD轉換器進行高速模數轉換，同時輸出8路LVDS DDR數據信號進入FPGA；由FPGA對8通道的數據進行高速串并轉換并進行預處理和緩存。?
??? PC機發送采集命令到FPGA，通過EMIF口送到DSP，DSP收到命令后打開EDMA傳輸，同時使能FPGA的數據采集，將接收數據緩存在外掛的SDRAM中，然后對數據進行處理，再通過EMIF口將處理結果送給FPGA，由FPGA內部的USB接口邏輯將數據送到主機進一步處理。?
??? 同時，主機可以通過發送命令控制運放的線性增益、功耗控制等處理。PC作為主控單元，將命令送到DSP，而DSP作為二級控制單元將命令送到FPGA內部的寄存器中，而由FPGA實現各種接口的控制時序，最終實現控制。?
2 模擬信號采集模塊?
2.1 模擬前端設計?
??? 超聲波的工作原理是：高壓脈沖發生電路發射高壓脈沖，經電壓超聲換能器變換成超聲波信號，超聲波信號遇到雜質時產生反射波，再經過電壓超聲換能器變換為電壓信號，這個電壓信號是微弱的高頻窄脈沖。為使缺陷信號不失真，前置處理電路的頻帶寬度應足夠高，信號的采樣頻率應為幾十兆赫茲[1]。為了能夠測量幅度的變化值，在接收的信號進入放大器前，先經過已校準的衰減器，以便對信號幅度定量調節，用于不同信號幅度比較[2]。?
??? 傳統的多通道探傷設備需要多塊采樣模塊，這大大提高了系統價格。而TI公司的VCA8613和ADS5273兩款芯片是TI公司針對醫療和工業超聲波推出的多通道高性能芯片，可以滿足上述超聲應用的要求。?
??? 可變增益運放VCA8613的-3 dB帶寬是800 kHz～14 MHz，它集成了8個通道，并將傳統系統中低噪聲前置放大器(LNA)、壓控衰減器(VCA）、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器4個功能芯片集成在一起，集成后帶來的好處是減少了外界的干擾和噪聲，改進了動態范圍。這對整個輸入信號的質量至關重要，使整體系統性能大大提高。在3 V工作時每個通道的功耗僅為75 mW，輸入頻率為5 MHz時噪聲為1.2 nV每根號Hz，同時體積大大縮小，這對于開發便攜式產品具有巨大的優勢。?
??? VCA8613還提供了一個VCNTL管腳，其配合VCA和PGA可實現5 dB～50 dB的線性增益，如圖2所示。ATN是VCA的衰減系數，PG是PGA的增益系數，這兩個值可通過SPI口寫VCA8613的寄存器來實現（PG=01的圖沒有給出）。?
?
?
??? ADS5273是12 bit的高速AD，采樣速率能達到70 MHz，信噪比為70.5 dB，輸入是8通道差分輸入，輸出是8通道LVDS DDR串行輸出，其速度達到420 MHz，上下沿都有數據。這使得在PCB信號完整性上要求很高，要嚴格按照高速信號走線的要求進行設計。?
??? 在采用內部參考模式下，ADS5273的輸入端有1.4 V的共模，而VCA8613輸出有1 V的共模電壓，所以VCA8613和ADS5273間采用了交流耦合方式，TI建議串接的電阻可以從25 Ω～300 Ω，這保證了ADS5273不會過載。耦合圖如圖3所示。?
?
?
??? ADS5273也提供了一個SPI口，可以控制其內部寄存器。可以控制關閉和開啟任何一個通道及控制每一路輸出的電流大小，這對于功耗的控制非常有利。同時ADS5273還可以有幾種工作模式：正常輸出模式、同步模式、用戶定義模式等，非常適合用戶進行調試。?
??? VCA8613和ADS5273構成的模擬前端，整體噪聲比目前市場上性能最接近的同類產品要低30%，并且具有更低的功耗，其性能不僅能滿足便攜式設備的需求，還能滿足高通道密度、中程超聲波系統的要求，能實現更高、更完美的圖像質量。?
2.2 FPGA高速解串設計?
??? ADS5273的輸出除了8路LVDS DDR串行數據，還有420 MHz的差分時鐘線和70MHz的差分同步線，如圖4所示。在采用FPGA進行數據接收時，如此高速的信號在解串時需要有非常嚴格的時序要求。由于在解串的過程中，邏輯并不復雜，但對時序要求高，因為采用觸發器實現可以比較方便地進行觸發器的位置約束，所以采用最底層的觸發器來實現。?
?
?
??? 解串后的數據使用了片內FIFO進行緩存，這里采用了乒乓FIFO機制，在將采集得到的數據寫入其中一片時，后續模塊同時對另一片中的數據進行處理。FIFO緩存器由于其先進先出的特性，數據的讀寫都無需提供地址信號，簡化了電路的設計，提高了數據的吞吐率。?
3 基于FPGA+DSP+USB的數據采集通道的實現?
??? 本系統FPGA采用Xilinx公司Virtex系列的xc2vp7器件，實現了高速數據解串、SPI控制器、USB的SLAVE FIFO控制狀態機、DSP的EMIF接口控制和信號預處理。其中SPI控制器有3個，有兩個實現對VCA8613、ADS5273的SPI接口控制；另一個實現對DA5200的控制，產生VCA8613的VCNTL的控制電壓，實現VCA8613增益線性可控。如圖4所示。?
??? DSP進行數據處理，采用了TI公司的高性能數字信號處理芯片TMS320C6414，可支持1 GHz的時鐘頻率，計算能力為5 760 MIPS，同時提供了外部存儲器接口和增強的DMA控制器（EDMA），可與FPGA進行快速數據交換。DSP設計為FLASH BOOT方式。?
??? 高速數據采集系統采用USB總線與PC進行數據傳輸。USB控制芯片采用Cypress公司的CY7C68013。該芯片內含一個增強型8051處理器、一個串行接口引擎(SIE)、一個USB收發器、8 KB片上RAM、4 KB的FIFO存儲器以及一個通用可編程接口(GPIF)。Cypress公司為了方便FX2的開發，提供了固件程序框架，用戶只需少量修改即可完成固件設計，同時Cypress提供了通用的驅動程序。?
??? 分別配置USB控制芯片中的端點EP2和EP6為IN(輸入)模式和OUT(輸出)模式。設置了自動傳輸模式后，在用戶端，就可以把CY7C68013當做一個FIFO，不必關心其內部的運行情況，而只要根據FIFO的標志線對FIFO進行讀寫操作，即主機和數據采集板間的通信是透明的。首先由應用程序采用塊傳輸方式發送一個命令包到SLAVE FIFO中，FPGA讀取這個命令包緩存在FPGA的FIFO中；接著應用程序再用控制傳輸方式發送一個命令包給CY7C68013，由USB固件程序在通用IO管腳上給DSP發送一個外部中斷；DSP收到外部中斷后馬上啟動一次EDMA傳輸，將FPGA中FIFO的命令及參數數據讀到DSP的RAM中；DSP根據收到的命令和參數進行各項操作。?
4 性能測試?
4.1 可變增益運放的測試?
??? 用函數發生器產生50 mV、7 MHz的正弦波，輸入VCA8613的輸入端，衰減設為33 dB，PGA增益設為21 dB，VCNTL管腳電壓為1.0 V，用示波器觀察輸出波形，如圖5所示，得到了很好的放大波形。?
?
?
??? 同時測出，正確的放大波形的頻率在900 kHz～11 MHz間，在這范圍之外的波形就會產生失真，與TI公司文檔中提出的頻率在800 kHz～13 MHz間有些差別。?
4.2 AD測試及數據通道實驗?
??? ADS5273采用同步模式進行調試，對時序進行了嚴格的對準，然后切換到正常模式，采用C++ Builder設計了簡單的主機應用程序來采集正弦波數據，如圖6所示。?
?
?
??? 從測試結果看，超聲波信號采集、分析和成像處理系統的整體設計方案是正確的，整套系統可以滿足頻率范圍從20 MHz～70 MHz超聲波檢測采集和分析的需要，同時可以調整采樣速率，適應不同檢測頻率的記錄要求?
??? 本數據采集系統在以下方面進行了改進：首先采用了TI公司先進的VCA8613和ADS5273構成了信號調理和數據轉換電路，具有高信噪比、高精度、高速率和低功耗等優點；其次數字架構采用了USB+FPGA+DSP方式，對于復雜算法的應用具有優勢；而且采用FPGA接收8路高速串行LVDS DDR信號的實現，使得系統硬件的體積得到大大縮小。同時，本文設計的硬件架構具有通用性，只要稍做修改即可應用于各種場合，具有較高的實際工程應用價值。?
參考文獻?
[1] 孫芳，麥繼平.USB高速數據采集處理卡在超聲波無損檢測中的應用.儀器儀表用戶，2003.12，11(3)：37-38.?
[2] 鄒毅，羅飛路.基于C8051F340的多通道超聲波無損檢測系統的設計.傳感器世界[J]，2007，13(10)：26-29.?
[3] 肖忠祥.數據采集原理[M].西安：西北工業大學出版社，2001.?
[4] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.