一種新型B超數字掃描變換系統的設計方法

唐清善，葉慶東，李亞捷

1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004；2.湖南長城信息產業股份有限公司，湖南 長沙410100

一種新型B超數字掃描變換系統的設計方法

唐清善1,2，葉慶東2，李亞捷1

1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004；2.湖南長城信息產業股份有限公司，湖南 長沙410100

針對B超設備小型化以及掃描圖像存儲容量大的要求，本文提出了一種基于FPGA和DDR SDRAM結構的新型的數字掃描系統的設計方法；介紹了相應的邏輯設計流程和系統實現的關鍵技術。仿真結果和實驗結果表明，該系統為實現B超的小型化需求提供了途徑。

B超儀；數字掃描變換系統；現場可編輯邏輯陣列；雙倍速率同步動態隨機存儲器

數字掃描變換系統（DSC）是B超系統中重要的電路組成部分，主要實現B超圖像變換輸出、多幀存儲、凍結放大，以及鍵盤控制等功能。隨著技術的進步和醫學要求的提高，對DSC部分提出了一些新的需求，如實現B超系統小型化、與數字化醫院的電子病歷系統對接、直接支持VGA顯示和液晶面板顯示以及支持打印機和U盤存儲、讀取等多種功能[1-3]。而現有的DSC設計方式一般是采用多片ROM和靜態RAM，存在著系統所含有的器件多，存儲容量較小，體積相對較龐大等不足，不利于B超的小型化[4-5]。為滿足這些新的需求，本文提出了一種基于FPGA（現場可編程邏輯陣列）和DDR SDRAM（雙倍速率同步動態隨機存儲器）的新型高集成度DSC設計方法。

1 已有方法介紹

現有DSC系統的數據區一般包括掃描線數據存儲區、幀數據存儲區、VGA變換區以及電影回放數據區等5大部分。其中，掃描數據存儲區的功能是存儲掃描線的數據，幀數據存儲區是存儲一幀圖像數據（包括幀相關），VGA變換區是存儲顯示器顯示所需數據，電影回放數據區存儲回放電影數據。為滿足系統實時訪問數據的需要，此5個部分采用了多片SRAM或者RAM進行設計，并行進行數據的讀取。隨著B超系統的小型化進程的發展，該設計方法已不能滿足醫學發展的要求。

2 本數字掃描變換系統的設計方法

2.1 基本設計思想

DSC是為滿足NTSC/PAL顯示方式而設計，按照NTSC/PAL顯示特點，其每行只能顯示有限個圖像數據點，且需要按每幀的時間間隔進行更新。本設計方法只要能在NTSC/PAL格式的一行時間內實現數據的實時更新，即可滿足NTSC/PAL顯示要求。基于此設計思想，在設計中基于NTSC/PAL格式的一行時間，邏輯上采用高速串行方式，按照“分時復用”的原則訪問DDR SDRAM，可實現以1片DDR SDRAM代替多片RAM/SRAM的數據存儲方式（如圖 1所示）。

圖1 分時復用訪問DDR SDRAM時序圖

圖中t1、t2、t3、t4、t5表示在NTSC/PAL格式的一行時間內，通過DDR 控制器對DDR SDRAM進行讀寫的時間段。其一行時間分配程序如下：

由于DDR SDRAM具有高速特性（總線帶寬可達300MB/s），因此上述的5大部分數據存儲區分別按照t1、t2、t3、t4、t5的時間劃分，可獲得平均60MB/s的數據帶寬進行實時數據更新，這個數據帶寬均遠遠大于現有的RAM/SRAM的數據訪問速度。

目前，設計中只是按照t1～t5劃分時間段，在將來使用中，如需要增加漢化功能時，可由處理器初始化時依次寫入相應的數據至DDR SDRAM的數據區中，在使用時可擴展時間段的劃分區間數目，這可進一步擴展本設計方法的應用范圍。

因此，從上述分析上來看，基于本設計方法，采用DDR SDRAM（容量可為64MB）可代替現有的多片RAM/SRAM進行數據存儲，具有更大容量（現有電影回放為256幀，本設計可達512幀）、使用方便、訪問速度快以及具有擴展功能等特點。

2.2 具體的設計流程

系統的DSC處理流程如圖2 所示。

圖2 DSC邏輯處理流程

（1）按照NTSC/PAL的格式產生TV時序，得到HRST（行同步信號）、VRST（場同步信號），此兩信號為DSC設計中的基準信號。對于不同格式以及不同顯示器，可以調節HRST與VRST的有效寬度。在本文中，行周期為64μs，場周期為625×64μs，可滿足800×600顯示器的要求。

（2）HRST作為控制信號分時控制經波束合成后的圖像數據進入DDR SDRAM，控制圖像插值時序、電影回放數據的讀出以及插值成幀后的數據回存等。

（3）在同一個HRST有效的情況下，數字波束合成的每一條掃查線的數據分段寫入到DDR SDRAM。后按頁方式從SDRAM讀出，掃查數據送入圖像插值部分處理。

（4）圖像插值部分對來自DDR SDRAM的掃查數據經過圖像極性反轉、灰階處理、圖像平滑處理后，讀取NAND FLASH里的插值表數值，進行NINA算法插值處理。

（5）插值后的成幀數據分成2部分，一部分存入DDR SDRAM中，另一部分數據與電影回放的數據一起由ARM/MCU進行選擇輸出，該輸出的數據實時地與ARM/CMU控制器寫入的字符（主要是一些必要標注）進行合成，后通過D/A轉換芯片，直接在CRT/液晶顯示器或專用顯示器（VGA方式）顯示。

（6）當需要B超圖像進行遠程傳輸、拷貝輸出或者基于U盤方式打印輸出時，可通過相應的網絡接口按照TCP/IP協議進行傳輸、U盤接口直接拷貝或者直接打印。在進行網絡傳輸時，系統通過ARM/MCU和網絡接口芯片可實現與數字化醫院的電子病歷系統進行B超圖像數據對接。

2.3 設計的關鍵點

（1）基于HRST信號數據總線時間的分配。由于系統必須滿足PAL/NTSC格式要求，因此，每一次HRST信號有效的時間內，對DDR SDRAM存儲器的各種不同的操作通過依次占據對應的時間段來實現；并要求這些不同的操作對存儲器的數據總線使用完要立即釋放，這在邏輯控制的設計中需要特別注意，否則會導致圖像或者字符出現抖動。

（2） DDR SDRAM的控制器核的改進設計。在本系統中，由于ARM/MCU對DDR SDRAM的操作需要單次突發讀寫，并且每條B超掃描數據是以縱向的方向輸入至存儲器，這也需要掃描數據線上的每一個數據單次寫入存儲器，因此對DDR SDRAM需要采用單次方式，而不能采用其余如4字或者頁方式。已有的控制器不能很好的實現這一點，因此需要對其進行改進。

3 系統硬件設計

3.1 系統的總體介紹

系統設計的總體硬件框圖如圖3所示，按功能可劃分為4部分：數據存儲部分、FPGA圖像處理部分、微處理器控制部分以及視頻輸出部分。各個部分的功能簡介如下：

圖3 系統硬件設計框圖

（1）微處理器（ARM/MCU）實現支持U盤讀寫、打印機打印，并可通過網絡對NAND FALSH寫入B超儀顯示的一些固定字符，以及與電子病歷系統對接實時傳輸圖像等功能。

（2）FPGA圖像處理部分實現圖像處理，包括各種圖像插值算法的實現、數據存儲控制以及顯示輸出的時序控制。

（3）數據存儲部分包括大容量的DDR SDRAM和NAND FLASH，實現動態圖像數據存儲和固定字符數據存儲。

（4）視頻輸出部分實現多種視頻信號輸出。

3.2 關鍵器件的選擇

（1）FPGA的選擇。經過比較，選擇XILINX公司SPARTAN6系列中的LX45，此器件具有以下特點：① 具有豐富的BLOCK RAM資源，能滿足DSC系統數據存儲和處理的需求；② 具有如18×18乘法器以及48bit累加器等多個DSP（數字信號處理）硬核，能滿足系統實現各種算法的需求；③ 具有多種接口，可以直接實現與DDR/DDR2/DDR3存儲器訪問，方便設計的實現；④ 具有多個數字鎖相環，為設計中產生多個同源時鐘提供了條件。

（2）A/D以及D/A器件的選擇。A/D選擇Analog Devices公司的AD9057，此器件最高采樣速率可達80MSPS，具有高速轉換以及自帶參考電壓等特點，是專用視頻采集處理芯片，可滿足系統高速采集的需求。D/A選擇Analog Devices公司的AD9750，其最高轉換輸出速率為120MSPS，高SFDR（在5M時，可高達76dBc）等特點，能滿足TV視頻高頻分量不損失的要求，從而可滿足B超圖像畫面細膩的需求。

（3）ARM/MCU的選擇。器件選擇三星公司的S3C2440，其支持DMA方式的數據傳輸，具有32數據總線以及多個USB接口等特點，能滿足系統多個外圍接口擴展的要求。

3.3 系統的輸出結果

（1）基于軟件ISE中的CHIPSCOPE工具，得到行、場消隱脈沖，行、場同步信號，圖像字符等信號輸出（如圖4所示）。

圖4 TV時序行、場輸出結果圖

（2）限于實驗條件，采用頻率為3.5M的凸陣探頭（96陣元）掃描人體腹部所得到的DSC結果如圖5所示。

圖5 DSC輸出結果圖

4 結束語

本文提出了一種新型、高集成度的B超數字掃描系統設計方法，給出了系統的硬件設計框圖以及相關的圖像邏輯控制設計。基于FPGA驗證了系統的設計，并通過實時監測工具CHIPSCOPE獲取到系統的TV時序結果，最后通過顯示器得到了掃描輸出結果。結果表明，此方法可以實現高集成度的B超數字掃描系統，可滿足B超設備小型化趨勢的需求以及相關擴展應用。

[1] Tan Yiyu,Zhang Ning.An Image Processing System Scheme in B Mode Ultrasonic Ophthalmological Scanner[C].Proceedings of the 16th IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS'03),2003:74-79

[2] 李鵬.醫學超聲成像中若干新技術的研究與實現 [D].杭州:浙江大學,2009.

[3] 彭龍飛.數字超聲成像關鍵技術的優化設計與實現[D].成都:電子科技大學,2010.

[4] 馮若.超聲診斷設備原理與設計[M].北京:中國醫藥科技出版社,1994.

[5] 劉曉東.B超DSC部分分析[J].中國醫學裝備,2004,1(1):37.

[6] 張禮群.基于FPGA芯片的根管擴大儀的數字頻率計設計[J].中國醫療設備,2011,26(4):26-27.

[7] 黃志遠,王愛國,黃中顥.超聲診斷儀TGC電路的改進[J].武漢科技學院學報, 2005,(8):29-32.

Design for High Integration Digital Scan Converter of B-scanner

TANG Qing-shan1,2,YE Qing-dong2,LI Ya-jie1
1.School of Physics and Electronic Science, Changsha University of Science and Technology，Changsha Hunan 410004,China; 2.Greatwall Information Industry Co., Ltd, Changsha Hunan 410100, China

Aiming at the requirements of B-scanner equipment miniaturization and storage capacity for scanning images, this paper presents a new design for digital scan system based on FPGA and DDR SDRAM. The Logical design process and simulation is provided. The simulation and experiment results prove that by this way the B-scanner equipment miniaturization can be achieved.

digital scan converter; FPGA；DDR SDRAM

TH776；R445.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.08.008

1674-1633(2011)08-0025-03

2011-04-08

2011-07-11

長沙市科技計劃項目（K1101005-11）資助；長沙理工大學人才引進基金項目（10xxrc004）資助；湖南省教育廳基金項目（09C080）資助；長沙理工大學重點學科建設項目(200801101)資助。

本文作者：唐清善，博士，講師。

李亞捷，副教授。

通訊作者郵箱：springyajie@126.com