一種基于usb3.0和fpga采集控制的超聲診斷儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，包括換能器、FPGA、超聲控制面板和計算機，換能器發射超聲脈沖并接收反射波轉換成回波信號；FPGA接受并行數據并起緩存作用；超聲控制面板將超聲數字化前端經過模數轉換和波束合成之后得到的超聲射頻數據通過USB3.0總線實時傳輸至計算機，將處理后的圖像實時顯示在診斷儀的顯示器上。本發明與傳統的PCI總線或USB2.0串行總線的傳輸方案相比，傳輸速率提升了5?10倍，并且將傳統的16位超聲圖像擴展到了32位，大大提高了超聲數據的可擴展性。
【專利說明】
一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀
技術領域
[0001 ]本發明涉及多普勒醫療超聲診斷儀技術領域，尤其是一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀。
【背景技術】
[0002]超聲系統的數據采集方案是超聲醫療診斷儀的關鍵所在。由于超聲圖像是為了實現精確的診斷，不僅包含圖像的各種細節信息，還包含探頭，當前狀態，病人詳情等圖像狀態信息，高幀率的實時傳輸方案一直是超聲系統采集的難點所在，目前通過PCI總線或者USB2.0串行總線的傳輸方案速率有限，實際幀率大多在20-30幀每秒左右，遠遠不能滿足實際醫生診斷時候的動態性能要求。
[0003]現有的超聲圖像采集方案有兩種主流方案，一種是基于外圍設備控制器接口PCI總線的數據傳輸，這種方式有明顯的局限性。首先，PCI總線傳輸速度在實際中只能達到130m/ s左右，不能滿足超尚速的傳輸方案。其次，PCI總線的電路板排線、驅動設計復雜，往往用在臺式機上，現在的超聲醫療設備越來越趨向小型化和便攜性，PCI總線已經不能滿足小型化的要求。再次，PCI總線方案不支持熱插拔，數據線脫離連接后需要重新啟動計算機才能實現復位，大大影響用戶體驗和開發效率。另外一種是基于USB2.0串行總線的數據采集方案。它具有實現簡單，支持熱插拔等優點，但是它的數據傳輸速度有限，已經不能符合圖像或者視頻實時傳輸的要求，實際使用中只能達到60m左右。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是克服現有的缺陷，提供一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，與傳統的PCI總線或USB2.0串行總線的傳輸方案相比，傳輸速率提升了 5-10倍，并且將傳統的16位超聲圖像擴展到了 32位，大大提高了超聲數據的可擴展性。
[0005 ]為了解決上述技術問題，本發明提供了如下的技術方案:
[0006]本發明一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，包括換能器、FPGA、超聲控制面板和計算機，換能器發射超聲脈沖并接收反射波轉換成回波信號;FPGA接受并行數據并起緩存作用;超聲控制面板將超聲數字化前端經過模數轉換和波束合成之后得到的超聲射頻數據通過USB3.0總線實時傳輸至計算機，將處理后的圖像實時顯示在診斷儀的顯示器上。
[0007]進一步地，超聲控制面板包括USB3.0控制芯片和CPLD，USB3.0控制芯片的GPIF II接口選用Slave FIFO工作模式，與GPIF II接口相連的外部主控制器通過CPLD實現，CPLD通過識別數字化前端中超聲射頻數據的控制信號確定進行數據采集，CPLD使能寫有效信號，將超聲射頻數據通過GPIF II接口寫入USB3.0控制芯片的輸入端點中并傳輸至計算機。
[0008]進一步地，USB3.0控制芯片內置有USB3.0微處理器、由執行USB3.0微處理器指令而生成高速串化解串器和光纖收發器的控制信號的啟動停止控制器、用于采集FPGA輸出的緩存數據的可編程數據采集控制器、用于將可編程數據采集控制器采集到的數據進行高速自動傳輸DMA引擎的端口 1、用于為DMA引擎在傳輸數據時提供數據緩沖的內部緩沖區和與計算機進行實時傳輸的USB3.0批量傳輸端口。
[0009]進一步地，USB3.0控制芯片還內置一個端口 O，端口 O用于采集過程中的讀模式和寫模式切換。
[0010]進一步地，FPGA內置有串化解串器數據接收模塊、數據緩存模塊、數據讀取模塊，數據緩存模塊選用32位數據寬度的FIFO緩存區，高速串化解串器輸出的數據信號線A為16位的并行數據，串化解串器數據接收模塊將數據信號線A上的16位并行數據復接為32位并行數據并存儲到FIFO緩存區;數據讀取模塊將FIFO緩存區中的數據讀出來通過數據信號線B發送給可編程數據采集控制器，可編程數據采集控制器通過DMA引擎自動將數據信號線B上的數據無間斷的傳輸到USB3.0批量傳輸端口。
[0011]進一步地，超聲控制面板采用USB3.0批量傳輸端口自帶的Ctrl傳輸模式，與計算機實現小數據量的雙向控制。
[0012]本發明的有益效果:相比于傳統的超聲診斷儀，該超聲診斷儀具有傳輸速度明顯加快，實際使用中可以達到400-500m/s，將傳統的16位超聲數據擴展到32位數據，大大提高了超聲數據的可擴展性;速度比PCI總線方案提升4倍，比USB2.0提升了 1倍速度;USB3.0實現簡單，可在小型便攜B超方向發揮更大的作用;它支持熱插拔，機器在有故障發生的時候，不需要重啟計算機電腦，大大提高了用戶體驗。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀的硬件結構框圖。
【具體實施方式】
[0014]本發明所列舉的實施例，只是用于幫助理解本發明，不應理解為對本發明保護范圍的限定，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明思想的前提下，還可以對本發明進行改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求保護的范圍內。
[0015]如圖1所示，本發明一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，包括換能器1、FPGA 2、超聲控制面板3和計算機4，換能器I發射超聲脈沖并接收反射波轉換成回波信號；FPGA 2接受并行數據并起緩存作用;超聲控制面板3將超聲數字化前端經過模數轉換和波束合成之后得到的超聲射頻數據通過USB3.0總線實時傳輸至計算機4，與計算機4實現小數據量的雙向控制，內置的端口 O用于采集過程中的讀模式和寫模式切換，將處理后的圖像實時顯示在診斷儀的顯示器上。
[0016]USB3.0超高速，全雙工，異步通知機制的采集控制系統(超聲控制面板3內置)主要功能是將超聲數字化前端經過模數轉換和波束合成之后得到的超聲射頻數據通過USB3.0總線傳輸至計算機4。采集控制系統硬件主要由一片USB3.0控制芯片和一片CPLD組成，USB3.0控制芯片選用CYPRESS公司的CYUSB3014這款芯片，CYUSB3014支持新的USB3.0協議并且給外部設備提供了一個可配置的、并行和通用可編程的GPIF 11 (GeneralProgrammable Interface)接口，我們這里選用GPIF II接口的Slave FIFO工作模式，與GPIF II接口相連的外部主控制器選用一片CPLD實現。超聲射頻數據在采集控制系統上的傳輸流程是:CPLD通過識別數字化前端中超聲射頻信號的控制信號確定是否進行數據采集，如果滿足采集條件，則CPLD使能寫有效信號，將超聲射頻數據通過GPIF II接口寫入CYUSB3014芯片的輸入端點中并傳輸至計算機4。
[0017]具體的超聲多普勒采集控制系統，USB3.0控制芯片使用CYPRESS公司的EZ-USBFX3(CYUSB3014)芯片。FX3是現有的USB3.0技術中兼容性和穩定性比較高的一款芯片，內置一個USB2.0的OTG端口(端口O)可以使得FX3實現讀/寫切換。它還擁有一個頻率為200MHZ的32位ARM926EJ處理器內核，自帶的GPIF II接口可以輸出最高32位的數據。FX3芯片主要用在數字影音、打印、掃描、醫學成像、工業攝像等對傳輸帶寬要求較高的數據傳輸中。FX3內部有一個能夠實現5Gb/s傳輸速度的GPIF II接口，GPIF II接口可以和任何處理器、ASIC(Applicat1n Specific Integrated Circuit)nDSP(Digital Signal Processing)、FPGA和CPLD連接，GPIF II接口最高工作時鐘能夠達到100MHz，可配置成8位、16位、32位數據傳輸中的任何一種。內嵌512kB SRAM用來存儲代碼和數據。FX3也提供低速外圍設備的接口，如UART，SPI，I2C，I2S總線接口 XPU主要通過固件程序和內部DMA通道管理USB和GPIF 11，I2S，SPI，UART接口之間的數據傳輸。
[0018]USB3.0控制芯片包括USB3.0微處理器、由執行USB3.0微處理器指令而生成高速串化解串器和光纖收發器的控制信號的啟動停止控制器、用于采集可編程邏輯控制器FPGA 2輸出的緩存數據的可編程數據采集控制器、用于將可編程數據采集控制器采集到的數據進行高速自動傳輸的DMA引擎、用于為DMA引擎在傳輸數據時提供數據緩沖的內部緩沖區、用于與計算機4進行控制傳輸的端口 O和與計算機4進行實時傳輸的批量傳輸端口。
[0019]USB3.0控制芯片內部自帶一個端口 O(USB2.0的OTG端口)和端口 I，端口 O用于采集過程中的讀模式和寫模式切換，具體的，發送f f給端口 O，緩沖區進入寫模式，發送00給端口0，USB進入讀模式狀態;端口 I用于為FPGA采集到的數據提供高速傳輸DMA引擎，FPGA 2傳遞過來的數據全都輸入USB3.0控制芯片內部的數據緩沖區，當達到一定的數據包長度的時候，緩沖區內的數據一次性發送給計算機4。
[0020]FPGA 2選Altera的CycloneIV系列芯片，芯片型號為EP4CE115F29C7N，高速串化解串器選擇TI公司生產的TLK2711 oEP4CE115F29C7N芯片內部包括串化解串器數據接收模塊、數據緩存模塊、數據讀取模塊。數據緩存模塊選擇使用32位數據寬度的FIFO緩存區，高速串化解串器輸出的數據信號線A為16位的并行數據，串化解串器數據接收模塊將數據信號線A上的16位并行數據復接為32位并行數據并存儲到FIFO緩存區;數據讀取模塊將FIFO緩存區中的數據讀出來通過數據信號線B發送給可編程數據采集控制器通過DMA引擎自動將數據信號線B上的數據無間斷的傳輸到USB3.0批量傳輸端口；啟動停止控制器在USB3.0微處理器的指令下生成發向串化解串器。
[0021 ]當超聲系統啟動后，CYUSB3014USB3.0控制芯片自帶的USB2.0模塊會自動識別不同的USB設備，會進行兩次對USB設備的掃描遍歷。第一次USB識別為被識別為USB2.0高速設備，用于下載超聲數據采集的固件到芯片中，下載完成后，會自動識別成USB3.0超高速模式。
[0022]超聲診斷儀的控制一般利用USB3.0的數據輸出模式，發送對應的控制字節，實現對超聲系統各種參數的調節與控制。超聲系統每一個功能或參數的改變都對應控制幀中的相應字節的改變。發送不同的控制幀，就能調整功能或者調整參數。
[0023]超聲軟件啟動完畢后，自動識別成USB3.0超高速模式，需要搜索超聲探頭(換能器I)。具體的方法為，向USB3.0的端口 O發送ff，使其切換到寫模式，然后向USB3.0端口 out發送更改探頭識別碼對應的控制字節，讀取一幀32位圖像數據，如果連續的高8位的數字都與探頭預定義的參數一樣，說明識別到一個探頭。依次循環，根據超聲診斷儀的插槽數發送對應數量的探頭識別控制幀，即可識別全部已插入的探頭。根據不同的探頭識別碼，找到超聲系統中預置序列化文件(一般為XML或INI文件)，載入探頭的參數如半徑，陣元數量，陣元間隔等。探頭加載完成后，有時醫生選取對應部位的預定義參數信息，那么必須再次讀寫序列化文件，序列化文件中定義了對應的深度、B模式增益、幀相關對應字節的取值情況。
[0024]探頭識別后，需要啟動超聲圖像采集。由于USB3.0的超高速傳輸模式和緩沖區最高支持32位的高速數據，定義一幀圖像為512*512*4字節32位的數據。其中低16位包括8位黑白圖像數據和8位超聲參數數據;高16位數據用于存儲其他輔助傳感器得到的數據或者其他擴展設備的數據，比如激光器，紅外傳感器等設備。向USB3.0的端口 O發送ff，并一次性下發對應端口的數據幀，超聲控制面板3收到下發參數后，啟動數據采集程序。
[0025]采集程序啟動后，需要把超聲數據的像素數據實時傳輸到顯示屏上。具體方法為，向USB3.0的端口O發送命令00，使端口 I切換至讀狀態。端口 I讀取一幀512*512*4的32位超聲數據。在計算機端提取低8位的像素數據并繪制成512*512*1字節8位的位圖。計算機4開啟相應的線程專門處理像素提取與位圖轉換的功能，并不斷的繪制到多普勒超聲診斷儀的顯示器上。
[0026]凍結、解凍是多普勒超聲診斷儀控制采集狀態的基礎。所謂凍結就是計算機4在不斷采集圖像的過程中，醫生按下凍結鍵使圖像靜止的狀態，在這個狀態下醫生可以觀察分析并保存病人的超聲圖像和對圖像進行處理和測量等操作。解凍是超聲診斷儀在凍結的情況下，使系統恢復高速采集狀態的功能。采用USB3.0實現凍結功能的具體方法是:在解凍狀態下，向USB3.0端口O發送ff，切換至USB3.0端口 I為寫狀態，然后讀取當前狀態的控制幀，將控制幀中對應的凍結解凍對應的位置O，發送給USB3.0的端口 I，并將計算機端軟件讀取超聲板數據的線程掛起;解凍的具體方法是:在凍結的狀態下，向USB3.0端口 O發送??，切換至USB3.0端口 I為寫狀態，然后讀取當前狀態的控制幀，將控制幀中對應的凍結解凍對應的位置I，發送給USB3.0的端口 I，并將計算機端軟件讀取超聲控制面板3數據的線程恢復。
[0027]對于參數的調節與模式的切換，大多類似，主要是調整不同的控制字，并通過USB3.0端口發送給超聲控制面板3 ο具體為:在讀取超聲數據線程開啟的情況下，向USB3.0端口O發送ff數據，切換端口 I至寫狀態，并下發控制幀。比如，現要使超聲參數的深度參數(Depth)加I，就要使現有的深度數據加上一個I，在確認不超過對應探頭超聲深度范圍的情況下，發送給USB3.0的端口 lout事件，超聲控制面板3收到刷新后的深度控制參數后，會傳遞對應深度參數的位圖信息給計算機4，計算機4再按上面的讀取方式，便能不斷收到刷新后的圖像數據。
[0028]超聲診斷儀一般有8段TGC增益調節，通過USB3.0端口，可以控制TGC增益。8段TGC增益對應著控制幀中連續的8個字節，范圍是從O - 2 5 5。T G C模塊滑動的時候，不斷的向USB3.0的端口 I發送當前的TGC增益，超聲控制面板3收到刷新后的控制幀后，會讀取對應的參數值，發送對應的TGC增益的像素數據給計算機4，計算機4經過提取并轉換位圖后獲得TGC刷新過后的超聲圖像。
[0029]傳統的超聲控制面板3與計算機4直接交互是通過RS232串行接口與計算機連接，然后發送對應的按鍵碼進行交互。有了USB3.0接口后，可以利用USB3.0自帶的CtrI傳輸模式，實現對超聲圖像實現小數據量的雙向控制。具體方案是:以保存當前圖像為例，判斷當前狀態是否為凍結狀態，如果不是則先進行上文定義的凍結操作。接著，初始化USB3.0端口的端口 O為Ctrl模式，便可以向USB3.0端口 I傳輸雙向的Ctrl控制命令，發送圖像保存命令fe，計算機4攔截到fe命令后，將當前凍結畫面中的圖像數據保存到對應的磁盤目錄中，并將對應的狀態信息序列化成本地文件，保存到對應的磁盤目錄中。
[0030]退出超聲系統的時候，由于系統處于高速采集狀態，需要釋放USB3.0接口占用的資源。首先關閉USB3.0端口的out或者in事件，終止采集線程，然后依次關閉USB端口 O和端口 1，退出超聲軟件。
[0031]本發明在實際測試中，速度為300-400m/s，每秒可傳遞200-300幀512*512*4字節32位的超聲圖像，與現有的PCI總線或USB2.0的方案相比，傳輸速率提升了5-10倍，并且將傳統的16位超聲圖像擴展到了 32位，大大提高了超聲數據的可擴展性。
【主權項】
1.一種基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，其特征在于:包括換能器(I)、FPGA(2)、超聲控制面板(3)和計算機(4)，換能器(I)發射超聲脈沖并接收反射波轉換成回波信號;FPGA(2)接受并行數據并起緩存作用;超聲控制面板(3)將超聲數字化前端經過模數轉換和波束合成之后得到的超聲射頻數據通過USB3.0總線實時傳輸至計算機(4)，將處理后的圖像實時顯示在診斷儀的顯示器上。2.根據權利要求1所述的基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，其特征在于:所述超聲控制面板(3)包括USB3.0控制芯片和CPLD，USB3.0控制芯片的GPIF II接口選用SlaveFIFO工作模式，與GPIF II接口相連的外部主控制器通過CPLD實現，CPLD通過識別數字化前端中超聲射頻數據的控制信號確定進行數據采集，CPLD使能寫有效信號，將超聲射頻數據通過GPIF II接口寫入USB3.0控制芯片的輸入端點中并傳輸至計算機(4)。3.根據權利要求2所述的基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，其特征在于:所述USB3.0控制芯片內置有USB3.0微處理器、由執行USB3.0微處理器指令而生成高速串化解串器和光纖收發器的控制信號的啟動停止控制器、用于采集FPGA(2)輸出的緩存數據的可編程數據采集控制器、用于將可編程數據采集控制器采集到的數據進行高速自動傳輸DMA引擎的端口 1、用于為DMA引擎在傳輸數據時提供數據緩沖的內部緩沖區和與計算機(4)進行實時傳輸的USB3.0批量傳輸端口。4.根據權利要求2或3所述的基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，其特征在于:所述USB3.0控制芯片還內置一個端口 O，端口 O用于采集過程中的讀模式和寫模式切換。5.根據權利要求1所述的基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，其特征在于:所述FPGA(2)內置有串化解串器數據接收模塊、數據緩存模塊、數據讀取模塊，數據緩存模塊選用32位數據寬度的FIFO緩存區，高速串化解串器輸出的數據信號線A為16位的并行數據，串化解串器數據接收模塊將數據信號線A上的16位并行數據復接為32位并行數據并存儲到FIFO緩存區；數據讀取模塊將FIFO緩存區中的數據讀出來通過數據信號線B發送給可編程數據采集控制器，可編程數據采集控制器通過DMA引擎自動將數據信號線B上的數據無間斷的傳輸到USB3.0批量傳輸端口。6.根據權利要求1所述的基于USB3.0和FPGA采集控制的超聲診斷儀，其特征在于:所述超聲控制面板(3)采用USB3.0批量傳輸端口自帶的Ctrl傳輸模式，與計算機(4)實現小數據量的雙向控制。
【文檔編號】G06F19/00GK105868146SQ201610408216
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】夏鈞
【申請人】無錫海鷹電子醫療系統有限公司