用于特殊環(huán)境下成像的超聲陣列接收電路設計

樊 祥 ，楊 濤

（1.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；2.特殊環(huán)境機器人技術四川省重點實驗室四川綿陽621010）

核工業(yè)環(huán)境是最具挑戰(zhàn)性的機器人工作環(huán)境之一。在執(zhí)行核應急處置、核廢物處理、核設施退役等操作時，現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣。盡管在正常情況下超聲成像質量遠不及光學方法，但其在黑暗、物體透明、核輻射等特殊環(huán)境中卻有無可比擬的優(yōu)勢。超聲陣列在進行信號處理的過程中可以根據(jù)需要變換波束所面對的空間方向、抑制其他方向的干擾，同時還可以根據(jù)需要以變換不同空間位置處的信號增益[1]。驅動電路和回波接收電路的設計是其中的關鍵問題，目前在超聲陣列的硬件設計上，國內(nèi)外研究人員也開展了探索性的研究。Attarzadeh[2]等設計了一款用于與電容式微加工超聲波換能器的低功耗，低噪聲接口。Kaald[3]通過將混頻器整合到調(diào)制器前端，可以移位輸入信號的相位和頻率，從而實現(xiàn)改進的轉換效率和窄帶波束成形。胡適[4]等在搭建了超聲硬件平臺的基礎上，對回波信號進行了放大濾波處理，并對回波處理和傳輸?shù)哪K進行了仿真和功能驗證。鄧鷹飛[5]等對接收信號的模擬濾波器進行仿真，分析了ADC采集發(fā)生混迭的原因和整個ADC的增益動態(tài)范圍，采用MATLAB軟件進行抗混疊后的頻譜仿真，驗證分析結果的準確性。王海濤[6]等設計了超聲發(fā)射和接收電路，并通過超聲標準試塊驗證單通道超聲檢測電路的可行性。王瑞[7]等提出了一種基于FPGA技術和VHDL語言描述的8通道超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置的硬件設計方法。上述方法都存在無法進行細粒度空間掃描、醫(yī)學高頻信號居多且多為仿真數(shù)據(jù)等缺點。針對上述方法存在的問題，楊濤[8-9]等進行了一維、二維大陣元數(shù)目稀疏相控陣的聲場仿真和優(yōu)化，本文在此基礎上搭建了用于空氣中特殊環(huán)境下成像數(shù)據(jù)采集的超聲陣列接收電路。

1 系統(tǒng)設計

超聲回波信號是一種非平穩(wěn)時變信號，信號既包含了有用的信號，也耦合了大量的噪聲信號。為了減弱噪聲對后續(xù)信號處理的影響，本文先通過電阻、電容以及運算放大器等電子器件構成帶通濾波器和放大電路，濾除信號中頻率高于45 kHz以及低于35 kHz的部分并放大有用信號，然后將經(jīng)過模數(shù)轉換器離散后的信號再進行后續(xù)的軟件處理。

在發(fā)射陣列的設計基礎之上，結合雙向輻射原理，可以實現(xiàn)由32路電路組成的接收陣列設計。系統(tǒng)主要由PC機、發(fā)射驅動電路和接收陣列信號處理電路組成。在FPGA控制器的作用下產(chǎn)生信號可調(diào)的正弦波信號激勵探頭產(chǎn)生超聲波束，接收陣列信號處理電路提取反射的回波信號傳給上位機，用于空氣中特殊環(huán)境下成像的超聲陣列電路系統(tǒng)結構框如圖1所示。

圖1 超聲陣列電路系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)的工作流程如下：發(fā)射控制器接收到主機的觸發(fā)信號之后，驅動發(fā)射換能器產(chǎn)生40 kHz的正弦波激勵信號，接著發(fā)射控制器進入休眠狀態(tài)等待下一次觸發(fā)信號的到來，然后接收控制器控制數(shù)據(jù)采集單元完成回波信號的調(diào)理、采樣、存儲以及上傳數(shù)據(jù)到主控制器，由主控制器完成成像算法，最終在PC端顯示。

2 單通道接收電路設計

單通道接收電路主要由超聲波接收換能器、前置放大電路、帶通濾波模塊、可變增益放大模塊、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉換模塊、FIFO存儲模塊、數(shù)據(jù)通信模塊及控制器等部分組成，文中主要敘述前面幾部分。

2.1 前置放大電路

由于聲波在傳播過程中，幅度會隨著距離的增加而減小，可通過前置放大器將超聲波換能器接收到的回波信號進行電壓放大再將放大后的信號輸入到帶通濾波電路中。

由于超聲換能器具有比較大的輸出阻抗，故而前置放大器的輸入阻抗要比超聲波換能器的輸出阻抗大，這樣前置放大器能夠獲得與空載時超聲波換能器相近的信號電壓，從而減小了信號電壓的損失?；谧杩狗矫婵紤]，本文采用雙運放放大器TL082C芯片，為了使后一級的工作點不受前一級的影響，又能使交流信號順利地從前一級傳給后一級，在輸入端添加了耦合電容。

2.2 濾波電路

在對微弱信號進行前置放大后的同時也同樣的把噪聲放大了很多倍，所以需要經(jīng)過帶通濾波電路，以消除與系統(tǒng)中心頻率不同的噪聲，該帶通濾波電路由RC阻容網(wǎng)絡和運算放大器構成，電路圖如圖2所示。

圖2 帶通濾波電路

電路輸出的中心頻率計算公式為：

電路通帶寬度B為：

電路通帶增益為：

通過計算和測試，驗證了該濾波電路可以濾除信號中頻率高于45 kHz以及低于35 kHz的部分。

2.3 可變增益放大電路

由于在帶通濾波的過程中，信號會出現(xiàn)衰減，為了避免信號失真，需要對濾波后的電壓信號進行電壓補償放大。濾波器后置放大電路與前置放大電路都是用于電壓放大，因此采用雙通道放大芯片TL082C的兩路相同的電路結構，區(qū)別僅在于產(chǎn)生不同的電壓增益的元件參數(shù)不同，后置放大電路如圖3所示。

圖3 后置放大電路

該單元由運算放大器、電位器MCP41010[10]以及電壓比較器MAX9013等3部分組成。該類電位器具有10 kΩ、50 kΩ以及100 kΩ 3種電阻選擇，通過選擇相應電阻，計算后可實現(xiàn)阻值的精細化調(diào)節(jié)，具體參數(shù)如下。

其中Vout為TL082C輸出端電壓，Dn為電位器MCP41010的256個抽頭中的某一個值，AB為電位器的兩端。

比較器通常用于比較一路輸入電壓和一路固定的電壓基準，考慮環(huán)境溫度的變化和基準源的類型，集成基準源的精度一般在1%至4%。對于精度要求較高的應用，可以考慮選用MAX90XX系列產(chǎn)品。為便于使用，有些比較器（例如：MAX9012/MAX9013）還提供互補輸出，即對應于輸入的變化，兩路變化方向相反的輸出。綜合考慮，設計選用超高速電壓比較器MAX9013芯片。

當運算放大器輸出信號的電壓大于1 V時，MAX9013輸出3.3 V，輸出的信號經(jīng)過D1穩(wěn)壓后直接發(fā)送給控制器的中斷端口，然后由控制器實現(xiàn)精細化調(diào)節(jié)MCP41010電位器的值，直到輸出信號范圍在-1 V至+1 V之間。

2.4 調(diào)理電路

該信號調(diào)理模塊由上述可變增益升壓電路和限幅電路兩部分組成。由TL082C組成的升壓電路，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器MCP41010的值，使得輸出的信號大小在ADC輸入值的范圍內(nèi)；同時，用兩個二極管構成限幅電路，防止模數(shù)轉換器的溢出和器件受到損壞，該電路設計如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路

該調(diào)理電路最終輸出的模數(shù)轉換器要求輸入的模擬信號電壓值為0到2 V之間。

2.5 模數(shù)轉換

AD轉換器是單通道接收電路中另一重要模塊，經(jīng)可變增益放大電路后的信號通過調(diào)理后，需輸入到ADC進行采樣，然后將這些數(shù)據(jù)傳到主控制器中進行算法處理。

考慮到AD芯片的成本，設計采用高速模數(shù)轉換芯片AD9200，它是一款10位、20 MSPS模數(shù)轉換器，采用省電模式和正常模式兩種可選單電源供電，內(nèi)置基準電壓源，可通過軟件控制時鐘引腳實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)速率20 MSPS，在省電模式下的功耗僅為5 mW，特別適合在中低功耗系統(tǒng)中使用，AD9200時序圖如圖5所示。

圖5 AD9200時序圖

其中，s1，s2，s3，s4為采樣點，tc為采樣間隔。系統(tǒng)采用外部晶振作為系統(tǒng)時鐘源，經(jīng)過FPGA倍頻處理后，實現(xiàn)采樣率控制。由采樣定理可知達到采樣信號不失真的條件是采樣頻率至少大于信號頻率的2倍，在實際操作上通常取5倍以上，通過計算和對實際采樣數(shù)據(jù)處理的考慮，設計設定AD采樣頻率為1 MHz。

3 多路FIFO存儲模塊

FIFO是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器[11]，其作用是暫存數(shù)據(jù)，待需要時再按其原有順序輸出。為保證數(shù)據(jù)不丟失，F(xiàn)IFO的容量根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)來確定。考慮A/D采樣頻率，接收端每路至少存儲4 kB的數(shù)據(jù)量，考慮到成本問題，設計選取CY7C4245芯片作為數(shù)據(jù)存儲，該芯片的讀和寫時鐘可以是獨立的，控制器可以通過分別控制讀、寫時鐘的頻率對數(shù)據(jù)進行處理，該芯片的最高讀寫速度可達100 MHz。

由于需要對陣列多通道同時進行數(shù)據(jù)采集，A/D采樣所得數(shù)據(jù)要實時送入FIFO，因此兩者的寫時鐘頻率必須一樣，這里采用FIFO存儲器作為AD與主控芯片的連接，且將FIFO的寫時鐘線與A/D芯片的時鐘相連，有助于實現(xiàn)采樣后的數(shù)據(jù)快速暫存到FIFO中，F(xiàn)IFO存儲模塊的結構圖如圖6所示。

圖6 FIFO存儲模塊

考慮ARM芯片在接收通道達到一定數(shù)量以后，沒有足夠的引腳控制多路FIFO工作，因此該設計采樣分時復用的工作方式，且將AD的時鐘與FIFO寫時鐘相連可以保證數(shù)據(jù)采樣后得到及時存儲。每次采集數(shù)據(jù)按照順序依次讀取存儲器的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)讀取的完整性和有效性。

4 實驗結果與分析

采用TDS2024B數(shù)字存儲示波器對采用不同發(fā)射信號的接收信號進行分析。該示波器帶寬為200 MHz，采樣速率為 2.0 GS/s，可以記錄長度為2 500個點，能夠實現(xiàn)4通道數(shù)據(jù)輸入，并具有保存圖像和數(shù)據(jù)的功能。

首先用連續(xù)的正弦波激勵發(fā)射探頭，驗證設計電路的功能。經(jīng)發(fā)射端發(fā)出的超聲波在空氣中傳播后的回波被接收探頭接收，傳感器將超聲脈沖轉換為電脈沖，再由接收電路經(jīng)放大、濾波、調(diào)理調(diào)制后，回波信號如圖7所示。

圖7 回波信號波形

超聲在空氣中傳播的衰減導致回波信號到達接收探頭只有幾百毫伏左右量級，而經(jīng)過放大濾波及調(diào)理后的回波信號幅值大約有2 V，可以得知回波信號確實得到了放大。

再用一個周期內(nèi)的8個方波脈沖信號激勵發(fā)射探頭，以驗證多路數(shù)據(jù)的讀取和存儲。超聲波遇到障礙物反射回來的多通道回波信號數(shù)據(jù)波形如圖8所示。

圖8 回波信號波形

由圖7和圖8可知接收到的信號清晰，雜波小，可以實現(xiàn)電路調(diào)理及大容量的多路數(shù)據(jù)存儲及讀取。電路長時間工作，所用元器件均無過熱現(xiàn)象。

5 結束語

1）文中介紹了二維超聲相控陣接收系統(tǒng)的總體設計方案，然后在此基礎上詳細的闡述了接收端回波處理單元各部分的電路實現(xiàn)，并搭建了系統(tǒng)實驗測試平臺。

2）文中設計了可變增益放大模塊，實現(xiàn)了對不同強弱程度的信號進行了精細化調(diào)節(jié)。

3）文中通過實驗驗證了設計的電路對毫伏級電壓的提取并有效調(diào)理了電路，且利用FIFO先進先出存儲器的特點，實現(xiàn)了大容量的多路數(shù)據(jù)存儲及讀取要求。

超聲相控陣技術根據(jù)接收控制和動態(tài)聚焦可以對復雜形狀的幾何物體進行可視化的成像檢測，可以看出相控陣技術有很大的發(fā)展前景[12-14]。在執(zhí)行核應急處置、核廢物處理、黑暗等特殊環(huán)境下操作時，超聲成像有傳統(tǒng)光學設備無可比擬的優(yōu)勢。隨著科學技術的不斷發(fā)展，超聲陣列系統(tǒng)在未來會得到更廣泛的應用，超聲換能器的設計也會要求更加科學、精細[15-20]。文中對超聲換能器波接收電路進行的設計，對用于特殊環(huán)境下的超聲相控陣成像研究具有重要意義。

[1]張小飛.陣列信號處理的理論與應用:陣列信號處理的理論和應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2]Attarzadeh H，Ytterdal T.An in-probe low-noise low-power variable-gain receive amplifier for medical ultrasound imaging using CMUT transducers[J].Analog Integrated Circuits&Signal Processing，2017，91（1）:73-81.

[3]Kaald R，Eggen T，Ytterdal T.A 1 MHz BW 34.2 fJ/step continuous time delta sigma modulator with an integrated mixer for cardiac ultrasound[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits&Systems，2016，PP（99）:1-10.

[4]胡適基于超聲相控陣接收的設計[D].濟南：山東師范大學，2015.

[5]鄧鷹飛.超聲相控陣高壓發(fā)射與接收電路設計與仿真[D].廣州:華南理工大學，2014.

[6]王海濤，葛金鑫，楊先明.超聲相控陣檢測硬件電路設計[J].無損檢測，2014，36（5）:19-22.

[7]王瑞，李伯全，駱英，等.基于FPGA的超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置設計[J].儀表技術與傳感器，2010（7）:69-71.

[8]楊濤，朱閃閃，劉玉佼.陣列信號處理實驗平臺設計[J].電氣電子教學學報，2015（2）:103-105.

[9]劉玉佼，楊濤.用于空氣中障礙檢測的超聲相控陣發(fā)射電路設計[J].電子設計工程，2013，21（19）:46-50.

[10]梅彥平，王燊.低成本低功耗超聲波熱量表的研制[J].中國儀器儀表，2012（3）:69-72.

[11]楊景常，周國權.先進先出（FIF0）存儲器技術在高速數(shù)據(jù)采集中的應用[J].西華大學學報自然科學版，2002，21（2）:20-21.

[12]馮國亮，于天暝.超聲波檢測系統(tǒng)前端電路設計[J].東北電力大學學報，2012（3）:83-87.

[13]朱金福，李暉，謝文明，等.超聲成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端調(diào)理電路設計[J].福建師范大學學報:自然科學版，2014（1）:52-57.

[14]楊兆飛.數(shù)字超聲系統(tǒng)接收電路改進[J].山西電子技術，2013（2）:3-5.

[15]簡盈，王躍科，潘仲明.超聲換能器驅動電路及回波接收電路的設計[J].電子技術應用，2004，30（11）:31-34.

[16]李勇峰，楊錄，張艷花.基于AN7218的超聲波接收電路設計[J].電子技術應用，2013，39（8）:91-94.

[17]李享.超聲換能器驅動電路及其回波接收電路設計分析[J].科技與創(chuàng)新，2015（22）:79-80.

[18]劉志浩，陳振華，陳果，等.基于線陣列超聲相控陣三維成像的實現(xiàn)研究[J].電子測量與儀器學報，2016，30（3）:400-406.

[19]沈立軍.超聲相控陣收發(fā)電路設計與關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[20]賈夢雪，王琛，孟令杰.一種簡便的超聲分散法制備碳量子點及表征[J].西安工程大學學報，2016，30（6）:734-739.