一種新型B超數(shù)字掃描變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

唐清善，葉慶東，李亞捷

1.長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南長城信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，湖南 長沙410100

一種新型B超數(shù)字掃描變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

唐清善1,2，葉慶東2，李亞捷1

1.長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南長城信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，湖南 長沙410100

針對B超設(shè)備小型化以及掃描圖像存儲(chǔ)容量大的要求，本文提出了一種基于FPGA和DDR SDRAM結(jié)構(gòu)的新型的數(shù)字掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；介紹了相應(yīng)的邏輯設(shè)計(jì)流程和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)B超的小型化需求提供了途徑。

B超儀；數(shù)字掃描變換系統(tǒng)；現(xiàn)場可編輯邏輯陣列；雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

數(shù)字掃描變換系統(tǒng)（DSC）是B超系統(tǒng)中重要的電路組成部分，主要實(shí)現(xiàn)B超圖像變換輸出、多幀存儲(chǔ)、凍結(jié)放大，以及鍵盤控制等功能。隨著技術(shù)的進(jìn)步和醫(yī)學(xué)要求的提高，對DSC部分提出了一些新的需求，如實(shí)現(xiàn)B超系統(tǒng)小型化、與數(shù)字化醫(yī)院的電子病歷系統(tǒng)對接、直接支持VGA顯示和液晶面板顯示以及支持打印機(jī)和U盤存儲(chǔ)、讀取等多種功能[1-3]。而現(xiàn)有的DSC設(shè)計(jì)方式一般是采用多片ROM和靜態(tài)RAM，存在著系統(tǒng)所含有的器件多，存儲(chǔ)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(xiàn)場可編程邏輯陣列）和DDR SDRAM（雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）的新型高集成度DSC設(shè)計(jì)方法。

1 已有方法介紹

現(xiàn)有DSC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)區(qū)一般包括掃描線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、VGA變換區(qū)以及電影回放數(shù)據(jù)區(qū)等5大部分。其中，掃描數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的功能是存儲(chǔ)掃描線的數(shù)據(jù)，幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是存儲(chǔ)一幀圖像數(shù)據(jù)（包括幀相關(guān)），VGA變換區(qū)是存儲(chǔ)顯示器顯示所需數(shù)據(jù)，電影回放數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)回放電影數(shù)據(jù)。為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)的需要，此5個(gè)部分采用了多片SRAM或者RAM進(jìn)行設(shè)計(jì)，并行進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。隨著B超系統(tǒng)的小型化進(jìn)程的發(fā)展，該設(shè)計(jì)方法已不能滿足醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求。

2 本數(shù)字掃描變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

2.1 基本設(shè)計(jì)思想

DSC是為滿足NTSC/PAL顯示方式而設(shè)計(jì)，按照NTSC/PAL顯示特點(diǎn)，其每行只能顯示有限個(gè)圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)，且需要按每幀的時(shí)間間隔進(jìn)行更新。本設(shè)計(jì)方法只要能在NTSC/PAL格式的一行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，即可滿足NTSC/PAL顯示要求。基于此設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)中基于NTSC/PAL格式的一行時(shí)間，邏輯上采用高速串行方式，按照“分時(shí)復(fù)用”的原則訪問DDR SDRAM，可實(shí)現(xiàn)以1片DDR SDRAM代替多片RAM/SRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式（如圖 1所示）。

圖1 分時(shí)復(fù)用訪問DDR SDRAM時(shí)序圖

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

由于DDR SDRAM具有高速特性（總線帶寬可達(dá)300MB/s），因此上述的5大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)分別按照t1、t2、t3、t4、t5的時(shí)間劃分，可獲得平均60MB/s的數(shù)據(jù)帶寬進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，這個(gè)數(shù)據(jù)帶寬均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的RAM/SRAM的數(shù)據(jù)訪問速度。

目前，設(shè)計(jì)中只是按照t1～t5劃分時(shí)間段，在將來使用中，如需要增加漢化功能時(shí)，可由處理器初始化時(shí)依次寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)至DDR SDRAM的數(shù)據(jù)區(qū)中，在使用時(shí)可擴(kuò)展時(shí)間段的劃分區(qū)間數(shù)目，這可進(jìn)一步擴(kuò)展本設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用范圍。

因此，從上述分析上來看，基于本設(shè)計(jì)方法，采用DDR SDRAM（容量可為64MB）可代替現(xiàn)有的多片RAM/SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具有更大容量（現(xiàn)有電影回放為256幀，本設(shè)計(jì)可達(dá)512幀）、使用方便、訪問速度快以及具有擴(kuò)展功能等特點(diǎn)。

2.2 具體的設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)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(chǎn)生TV時(shí)序，得到HRST（行同步信號(hào)）、VRST（場同步信號(hào)），此兩信號(hào)為DSC設(shè)計(jì)中的基準(zhǔn)信號(hào)。對于不同格式以及不同顯示器，可以調(diào)節(jié)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(hào)分時(shí)控制經(jīng)波束合成后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入DDR SDRAM，控制圖像插值時(shí)序、電影回放數(shù)據(jù)的讀出以及插值成幀后的數(shù)據(jù)回存等。

（3）在同一個(gè)HRST有效的情況下，數(shù)字波束合成的每一條掃查線的數(shù)據(jù)分段寫入到DDR SDRAM。后按頁方式從SDRAM讀出，掃查數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)過圖像極性反轉(zhuǎn)、灰階處理、圖像平滑處理后，讀取NAND FLASH里的插值表數(shù)值，進(jìn)行NINA算法插值處理。

（5）插值后的成幀數(shù)據(jù)分成2部分，一部分存入DDR SDRAM中，另一部分?jǐn)?shù)據(jù)與電影回放的數(shù)據(jù)一起由ARM/MCU進(jìn)行選擇輸出，該輸出的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地與ARM/CMU控制器寫入的字符（主要是一些必要標(biāo)注）進(jìn)行合成，后通過D/A轉(zhuǎn)換芯片，直接在CRT/液晶顯示器或?qū)Ｓ蔑@示器（VGA方式）顯示。

（6）當(dāng)需要B超圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、拷貝輸出或者基于U盤方式打印輸出時(shí)，可通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸、U盤接口直接拷貝或者直接打印。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，系統(tǒng)通過ARM/MCU和網(wǎng)絡(luò)接口芯片可實(shí)現(xiàn)與數(shù)字化醫(yī)院的電子病歷系統(tǒng)進(jìn)行B超圖像數(shù)據(jù)對接。

2.3 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）基于HRST信號(hào)數(shù)據(jù)總線時(shí)間的分配。由于系統(tǒng)必須滿足PAL/NTSC格式要求，因此，每一次HRST信號(hào)有效的時(shí)間內(nèi)，對DDR SDRAM存儲(chǔ)器的各種不同的操作通過依次占據(jù)對應(yīng)的時(shí)間段來實(shí)現(xiàn)；并要求這些不同的操作對存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線使用完要立即釋放，這在邏輯控制的設(shè)計(jì)中需要特別注意，否則會(huì)導(dǎo)致圖像或者字符出現(xiàn)抖動(dòng)。

（2） DDR SDRAM的控制器核的改進(jìn)設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，由于ARM/MCU對DDR SDRAM的操作需要單次突發(fā)讀寫，并且每條B超掃描數(shù)據(jù)是以縱向的方向輸入至存儲(chǔ)器，這也需要掃描數(shù)據(jù)線上的每一個(gè)數(shù)據(jù)單次寫入存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因此需要對其進(jìn)行改進(jìn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體介紹

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體硬件框圖如圖3所示，按功能可劃分為4部分：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)部分的功能簡介如下：

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

（1）微處理器（ARM/MCU）實(shí)現(xiàn)支持U盤讀寫、打印機(jī)打印，并可通過網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)對接實(shí)時(shí)傳輸圖像等功能。

（2）FPGA圖像處理部分實(shí)現(xiàn)圖像處理，包括各種圖像插值算法的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制以及顯示輸出的時(shí)序控制。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分包括大容量的DDR SDRAM和NAND FLASH，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和固定字符數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（4）視頻輸出部分實(shí)現(xiàn)多種視頻信號(hào)輸出。

3.2 關(guān)鍵器件的選擇

（1）FPGA的選擇。經(jīng)過比較，選擇XILINX公司SPARTAN6系列中的LX45，此器件具有以下特點(diǎn)：① 具有豐富的BLOCK RAM資源，能滿足DSC系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需求；② 具有如18×18乘法器以及48bit累加器等多個(gè)DSP（數(shù)字信號(hào)處理）硬核，能滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種算法的需求；③ 具有多種接口，可以直接實(shí)現(xiàn)與DDR/DDR2/DDR3存儲(chǔ)器訪問，方便設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)；④ 具有多個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，為設(shè)計(jì)中產(chǎn)生多個(gè)同源時(shí)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(dá)80MSPS，具有高速轉(zhuǎn)換以及自帶參考電壓等特點(diǎn)，是專用視頻采集處理芯片，可滿足系統(tǒng)高速采集的需求。D/A選擇Analog Devices公司的AD9750，其最高轉(zhuǎn)換輸出速率為120MSPS，高SFDR（在5M時(shí)，可高達(dá)76dBc）等特點(diǎn)，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(xì)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(shù)據(jù)傳輸，具有32數(shù)據(jù)總線以及多個(gè)USB接口等特點(diǎn)，能滿足系統(tǒng)多個(gè)外圍接口擴(kuò)展的要求。

3.3 系統(tǒng)的輸出結(jié)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(hào)，圖像字符等信號(hào)輸出（如圖4所示）。

圖4 TV時(shí)序行、場輸出結(jié)果圖

（2）限于實(shí)驗(yàn)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(jié)果如圖5所示。

圖5 DSC輸出結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型、高集成度的B超數(shù)字掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖以及相關(guān)的圖像邏輯控制設(shè)計(jì)?；贔PGA驗(yàn)證了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測工具CHIPSCOPE獲取到系統(tǒng)的TV時(shí)序結(jié)果，最后通過顯示器得到了掃描輸出結(jié)果。結(jié)果表明，此方法可以實(shí)現(xiàn)高集成度的B超數(shù)字掃描系統(tǒng)，可滿足B超設(shè)備小型化趨勢的需求以及相關(guān)擴(kuò)展應(yīng)用。

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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(jì)劃項(xiàng)目（K1101005-11）資助；長沙理工大學(xué)人才引進(jìn)基金項(xiàng)目（10xxrc004）資助；湖南省教育廳基金項(xiàng)目（09C080）資助；長沙理工大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)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