單片機(jī)及CPLD設(shè)計(jì)的B超檢測(cè)工裝技術(shù)

超聲波在兩種不同組織界面處會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、衰減以及聲源與接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性。應(yīng)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(hào)，顯示各種組織及其病變的形態(tài)，結(jié)合病理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)，觀察、分析、總結(jié)不同的反射規(guī)律，從而對(duì)病變部位、性質(zhì)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(guò)程為：當(dāng)探頭獲得激勵(lì)脈沖后發(fā)射超聲波（同時(shí)探頭受聚焦延遲電路控制，實(shí)現(xiàn)聲波的聲學(xué)聚焦），經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后再由探頭接收反射回的回聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、對(duì)數(shù)放大等信號(hào)處理。然后由DSC電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號(hào)，在CPU控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理，再同圖像形成電路和測(cè)量電路一起合成視頻信號(hào)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(qiáng)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(jī)前，最好有測(cè)試手段和方法，對(duì)所有通道能進(jìn)行測(cè)試，以去除器件本身和焊接電路板中出現(xiàn)的問(wèn)題，基于此目的，本人設(shè)計(jì)了B超檢測(cè)工裝。

工裝設(shè)計(jì)需求

本工裝設(shè)計(jì)要求為24通道、探頭為96陣元的B超板AFE9624進(jìn)行測(cè)試，AFE9624包含高壓發(fā)射電路、繼電器切換、高壓模擬開(kāi)關(guān)切換、前放電路和VGA電路。

發(fā)射工裝要求

高壓發(fā)射電路、高壓模擬開(kāi)關(guān)電路、繼電器切換電路測(cè)試，這幾者必須同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，要設(shè)計(jì)發(fā)射工裝板、繼電器控制測(cè)試電路、高壓模擬控制電路、探頭接口高壓波形測(cè)量電路。具體包括：高壓發(fā)射電路工裝（簡(jiǎn)稱發(fā)射工裝），1~24通道的發(fā)射驅(qū)動(dòng)及切換電路；高壓模擬開(kāi)關(guān)控制電路工裝（簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)工裝），控制任何一個(gè)通道的開(kāi)通或者關(guān)斷，實(shí)際使用時(shí)只控制某一個(gè)通道的開(kāi)通，其他的通道關(guān)斷，相應(yīng)地發(fā)射控制也只開(kāi)通對(duì)應(yīng)的一路，其他的驅(qū)動(dòng)設(shè)置為無(wú)效；繼電器控制測(cè)試工裝（簡(jiǎn)稱繼電器工裝），提供繼電器組開(kāi)通或關(guān)斷的控制信號(hào)；探頭接口的波形測(cè)量電路工裝（簡(jiǎn)稱探頭波形工裝），包含96~1的切換電路，使得得到發(fā)射的陣元位置波形可以切換到示波器顯示測(cè)量出來(lái)。

接收工裝要求

VGA測(cè)試：VGA測(cè)試主要驗(yàn)證放大電路的功能和準(zhǔn)確性，需要提供給每一路VGA模擬輸入信號(hào)，并通過(guò)示波器檢測(cè)。通過(guò)探頭接口可以將測(cè)試信號(hào)施加進(jìn)去，但是必須要對(duì)高壓模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)控制，使得每一路VGA獲得準(zhǔn)確的輸入。具體包括：波形發(fā)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(shí)現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù)，允許有幾十歐姆的輸出阻抗；高壓模擬開(kāi)關(guān)控制及VGA增益控制工裝（簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)增益工裝），提供AFE9624上高壓模擬開(kāi)關(guān)電路的控制信號(hào)，并提供VGA的增益控制信號(hào)，增益控制信號(hào)可以是鋸齒波，幅度值最低應(yīng)大于0.2V，最大值應(yīng)不大于2.5V，鋸齒波周期為50μs。

硬件電路設(shè)計(jì)

圖1所示為發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中主控部分原理圖。其中，發(fā)射部分原理圖見(jiàn)圖2，接收部分原理圖見(jiàn)圖3。需要注意的是，發(fā)射和接收有一部分電路是共用的。這3個(gè)電路主要包括用于控制自動(dòng)檢測(cè)的微處理器AT89S52，用數(shù)碼管前2位顯示探頭00或01，即PROBE A或PROBE B。數(shù)碼管后2位顯示1~96，即1~96通道。Alter公司的CPLD(EPM7064)用于產(chǎn)生周期20ms、脈寬330ns的2個(gè)方向相反、有死區(qū)時(shí)間的脈沖，用于發(fā)射通道的發(fā)射波形。工裝板用了18個(gè)8通道高壓開(kāi)關(guān)HV20220，其中6個(gè)用于控制雙1~24通道數(shù)字開(kāi)關(guān)切換電路，其余的12個(gè)用于探頭96個(gè)陣元選1的切換。發(fā)射和接收的控制回路基本一樣，需要改變的是2個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S1、S2的撥動(dòng)方向，接收工裝的發(fā)射波形是正弦波，由函數(shù)發(fā)生器芯片MAX038產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)留有單片機(jī)AT89S52與上位機(jī)的通訊接口，可以通過(guò)上位機(jī)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(dòng)檢測(cè)和手工檢測(cè)這兩種模式，沒(méi)有使用上位機(jī)控制模式。


圖1 發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中主控部分原理圖

發(fā)射和接收工裝都需要把發(fā)射波形或接收波形經(jīng)過(guò)控制后，通過(guò)轉(zhuǎn)接線JP3~JP7及JP10和需要檢測(cè)的實(shí)際B超板相接，來(lái)檢測(cè)B超板（圖1~圖3中未給出JP3~JP7及JP10連接線的插座）。

發(fā)射工裝設(shè)計(jì)

圖1中，U1(7400)與非門(mén)電路和12MHz晶振組成晶體振蕩器，給EPM7064的全局時(shí)鐘端43腳提供時(shí)鐘信號(hào)。EPM7064的21腳和25腳輸出周期20ms、脈寬330ns、帶660ns死區(qū)時(shí)間的2個(gè)方向相反的脈沖信號(hào)，經(jīng)同向放大器U21(74F07)驅(qū)動(dòng)后得到IPA和INB，加到雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S1上（在圖2中，S1此時(shí)需撥到發(fā)射位置）。IPA經(jīng)S1加到U3、U4、U5這3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)HV20220上，3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)的所有輸出都接在了一起，而且這3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)接成菊花瓣形式，即下一個(gè)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)輸入端DIN，接前一個(gè)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)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(hào)，使3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)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(shí)，IPA信號(hào)送給了IP001。但需注意的是，在同一時(shí)間，3個(gè)高壓開(kāi)關(guān)的24個(gè)通道只有一個(gè)是可以閉合的，其余的都斷開(kāi)。INB的過(guò)程和IPA的過(guò)程完全一樣，在IP001得到IPA信號(hào)的同時(shí)，IN001也得到了INB信號(hào)。IP001~IP024依次得到IPA信號(hào)，IN001~IN024則依次得到INB信號(hào)。IP001~IP024和IN001~IN024通過(guò)轉(zhuǎn)接頭JP3 、JP4 送到B超的AFE9624板上。在AFE9624板上經(jīng)過(guò)MD1211驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管芯片C6320，得到工裝發(fā)出的兩個(gè)帶死區(qū)時(shí)間、方向相反并經(jīng)MD1211放大后合成的波形。再經(jīng)過(guò)AFE9624板上的12個(gè)高壓開(kāi)關(guān)HV20220切換，根據(jù)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(kāi)通或關(guān)斷信號(hào)SRELAY：SRELAY=0時(shí)，探頭A開(kāi)；SRELAY=1時(shí)，探頭B開(kāi)通。同時(shí)又發(fā)出SDATA2,SCLK2,SLD2,RESET2串行控制信號(hào)，通過(guò)JP10轉(zhuǎn)接線去控制AFE9624板上高壓模擬開(kāi)關(guān)HV20220。經(jīng)過(guò)AFE9624板放大控制的信號(hào)，再通過(guò)轉(zhuǎn)接線JP5、JP6、JP7送到工裝板上12個(gè)高壓開(kāi)關(guān)U12~U20上（在圖3中，只給出了U18~U20），最后通過(guò)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S2(此時(shí)應(yīng)該撥到發(fā)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(hào)，達(dá)到96選1的目的。


圖2 發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中發(fā)射部分原理圖

接收工裝設(shè)計(jì)

圖3中，U25(MAX038)是函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)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(lái)決定：A1A0＝10或11時(shí)，輸出正弦波；A1A0＝00時(shí)，輸出方波；A1A0＝01時(shí)輸出三角波。波形切換可在0.3μs內(nèi)完成，但輸出波形有0.5μs的延遲時(shí)間。MAX038的19腳是波形輸出端，本設(shè)計(jì)輸出正弦波，頻率為3.5MHz，幅度P-P 在1V左右。此正弦波通過(guò)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S2(此時(shí)應(yīng)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(hào)，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(guò)轉(zhuǎn)接線JP5、JP6、JP7送到AFE9624板。根據(jù)轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)12個(gè)高壓開(kāi)關(guān)HV20220(和發(fā)射時(shí)是同一組高壓開(kāi)關(guān))，經(jīng)過(guò)發(fā)射、接收隔離電路得到接收信號(hào)（這里是我們工裝給出的正弦波），再通過(guò)AFE9624板上的前放電路放大，通過(guò)工裝上轉(zhuǎn)接線JP3、JP4送到圖2中發(fā)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(kāi)關(guān)輪流導(dǎo)通，此時(shí)高壓開(kāi)關(guān)的另一端IP和IN得到正弦波，經(jīng)過(guò)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S1（S1此時(shí)需撥到接收位置）。在J1接雙蹤示波器就能看到差分的2個(gè)正弦波。三極管Q5發(fā)射極輸出TGC增益控制信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)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(hào)的幅度。


圖3 發(fā)射、接收工裝設(shè)計(jì)電路中接收部分原理圖

軟件設(shè)計(jì)

本工裝使用CPLD產(chǎn)生發(fā)射波形，使用微處理器AT89S52控制整個(gè)工裝板，還給要測(cè)試的B超板（AFE9624）提供繼電器和高壓開(kāi)關(guān)的切換指令。

發(fā)射波形的產(chǎn)生

周期20ms、脈寬330ns、帶660ns死區(qū)時(shí)間的2個(gè)方向相反的脈沖信號(hào)，是用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，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(qū)時(shí)間

begin

pwm_reg=0;

pwm_reg1=1;

end

else if(count<21'd16) //330ns負(fù)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(gè)輕觸開(kāi)關(guān)S3、S4、S5，S3接外中斷0，用于繼電器控制，上電默認(rèn)選擇探頭1（PROBE A），按下S3，則選擇探頭2（PROBE B），再次按下無(wú)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(rèn)24個(gè)通道、96陣元是每隔2s自動(dòng)檢測(cè)的，若需要人工檢測(cè)，則按下S4，此時(shí)，每按一次S4，則檢測(cè)下一通道和陣元。S5是復(fù)位開(kāi)關(guān)。根據(jù)硬件連接，設(shè)置如下：

uchar m=0;//用于96陣元的選擇

uchar n=0;//默認(rèn)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(shù)據(jù)1

sbit SCLK1= P1^1; //移位時(shí)鐘1

sbit SLD1= P1^2; //移位鎖定

sbit RESET1=P1^3;//復(fù)位1

sbit SDATA3= P1^4; //移位數(shù)據(jù)3

sbit SCLK3= P1^5; //移位時(shí)鐘3

sbit SLD3= P1^6; //移位鎖定

sbit RESET3=P1^7;//復(fù)位3

sbit SDATA2= P0^0; //移位數(shù)據(jù)2

sbit SCLK2= P0^1; //移位時(shí)鐘2

sbit SLD2= P0^2; //移位鎖定

sbit RESET2=P0^3;//復(fù)位2

sbit SRELAY=P0^4;//探頭繼電器選擇

定時(shí)器自動(dòng)檢測(cè)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(gè)陣元是對(duì)應(yīng)24個(gè)通道的，在實(shí)際的B超工作過(guò)程中，一個(gè)通道工作的時(shí)候，同時(shí)會(huì)有4個(gè)按一定規(guī)律排列的陣元在工作。本工裝不僅獨(dú)立檢測(cè)24個(gè)通道的每個(gè)通道，同時(shí)還檢測(cè)96個(gè)陣元中的每一個(gè)，因此，檢測(cè)96個(gè)陣元，24個(gè)通道運(yùn)行了4次。

輕觸開(kāi)關(guān)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(jì)數(shù)

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(kāi)關(guān)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(cè)探頭1，探頭1的96個(gè)陣元都檢測(cè)通過(guò)后，斷電，將探頭轉(zhuǎn)接線放到探頭2的位置；上電，按下輕觸按鈕S3，此時(shí)數(shù)碼管前2位顯示01，是選擇探頭2的標(biāo)志。微處理器控制繼電器把所有通道都轉(zhuǎn)接到探頭2的測(cè)量上。

高壓開(kāi)關(guān)HV20220的驅(qū)動(dòng)函數(shù)

函數(shù)HV20220_1(uchar dd)的功能：打開(kāi)CPLD波形發(fā)生器(工裝)1選24的高壓開(kāi)關(guān)。

函數(shù)HV20220_2(uchar dd)的功能：打開(kāi)主系統(tǒng)板（AFE9624）上的高壓開(kāi)關(guān)。

函數(shù)HV20220_3(uchar dd)功能：打開(kāi)探頭上(工裝)來(lái)的96選1的高壓開(kāi)關(guān)。

以驅(qū)動(dòng)HV20220_1為例，其它2個(gè)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(fā)射、接收工裝檢測(cè)B超通道

B超發(fā)射通道檢測(cè)

連接工裝和B超，檢測(cè)裝置連接完畢后，檢查開(kāi)關(guān)S1、S2位置在“發(fā)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(jīng)過(guò)2秒鐘后，機(jī)器自動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，顯示屏顯示0001，緊接著示波器顯示正負(fù)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(fù)脈沖波形

3. 經(jīng)過(guò)2秒鐘，再次自動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，顯示屏顯示0002，緊接著示波器顯示正負(fù)脈沖波形，表示第2通道電路正常。

4. 繼續(xù)等待檢測(cè)裝置自動(dòng)重復(fù)上述過(guò)程，直到顯示器顯示0096，緊接著示波器顯示正負(fù)脈沖波形，表示第96通道電路正常。至此，確認(rèn)探頭1接口發(fā)射工作正常。

5. 斷電，將“探頭轉(zhuǎn)接板”插接到“主控系統(tǒng)探頭板”的探頭2上。在檢測(cè)裝置連接完畢后上電，點(diǎn)擊工裝板上觸發(fā)開(kāi)關(guān)S3，顯示屏顯示0100，然后重復(fù)上述2～4過(guò)程，確認(rèn)探頭2接口發(fā)射工作正常，此過(guò)程顯示屏顯示數(shù)字是0101～0196。

B超接收通道檢測(cè)

連接工裝和B超檢測(cè)裝置完畢后，開(kāi)關(guān)S1、S2位置在“接收”擋，示波器接J1。按B超發(fā)射通道檢測(cè)中1~5的步驟進(jìn)行，此時(shí)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(cè)波形

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了B超板AFE9624進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)的工裝設(shè)計(jì)，經(jīng)檢測(cè)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可為其它廠家設(shè)計(jì)的B超檢測(cè)提供參考幫助。按照本文思路，根據(jù)實(shí)際的B超接口，只需設(shè)計(jì)好各種轉(zhuǎn)接板或轉(zhuǎn)接線，就可以對(duì)B超板進(jìn)行全面的檢測(cè)。