基于USB總線和DSP的高頻超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

超聲醫(yī)學(xué)即利用超聲波的物理特性進行診斷和治療的一門影像學(xué)科，其臨床應(yīng)用范圍廣泛，目前已成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。本系統(tǒng)是一個便攜式軟組織超聲診斷儀的一部分，主要功能是高頻超聲信號采集。其工作機制，是在前端低頻脈沖（20Hz~10KHz）的觸發(fā)下，對由超聲換能器產(chǎn)生的高頻超聲信號（1MHz~20MHz）進行采集，預(yù)處理，然后通過USB總線傳輸給PC機，由軟件進行分析、處理。

在本設(shè)計方案中，高速CPLD芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，相比傳統(tǒng)的MCU+ADC方法，CPLD是用硬件信號而不是軟件編程來控制ADC，從而在速度上有很大的優(yōu)勢。而目前強大的VHDL編程語言也使得CPLD能很容易地實現(xiàn)預(yù)想的功能邏輯。

數(shù)據(jù)處理部分，選用數(shù)據(jù)處理功能強大、處理速度高的DSP芯片作為CPU。而在與上位機通信方面，采用支持即插即用且成本也相對較低的USB接口。整體系統(tǒng)方面，各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和同步問題是技術(shù)難點。在經(jīng)過反復(fù)比較和測試之后，采取高速存儲器作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的方案。

系統(tǒng)各組成模塊

包括三個子系統(tǒng)：CPLD子系統(tǒng)，DSP子系統(tǒng)和USB子系統(tǒng)。其中，CPLD+ADC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，DSP則負責(zé)數(shù)據(jù)處理，兩者之間通過一片高速RAM來交換數(shù)據(jù)；USB芯片（AN2131Q）負責(zé)把數(shù)據(jù)通過USB線上傳給主機，它和DSP之間通過一片鎖存器進行通信。

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（CPLD子系統(tǒng)）

該子系統(tǒng)主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所組成。由于要采集的超聲信號最高頻率為20M，根據(jù)Nyquist定律，采樣頻率應(yīng)該在40MHz以上，為了提高精度，系統(tǒng)采用了ADI公司的AD9283芯片。該芯片最高工作頻率為100MHz，經(jīng)過測試，可很好地滿足系統(tǒng)帶寬要求。以往的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，下位機部分ADC-RAM模塊往往采用MCU作為CPU來控制，因此，采集頻率直接受到MCU速度的制約，而且和RAM存儲器的同步也成為問題。

經(jīng)過比較，本系統(tǒng)采用Altera公司的CPLD芯片來控制ADC和RAM，從而很好地解決了時序精度和同步的問題。

CPLD作為控制芯片，實現(xiàn)的功能邏輯為：

● 接到DSP觸發(fā)信號（START）之后，實現(xiàn)對ADC的控制，發(fā)出一個Start信號，ADC開始采樣工作；

● 與ADC控制信號同步提供RAM地址計數(shù)器（A0~A16）和寫信號（/WE），使得每次ADC的結(jié)果直接存入RAM并且自動增加地址；

● 當?shù)刂酚嫈?shù)器達到最大的時候，發(fā)出中斷信號（RAM_FULL），提示DSP系統(tǒng)RAM已滿； CPLD的功能邏輯用VHDL語言實現(xiàn)，其編譯、仿真和綜合采用Altera官方主頁提供的MAXPLUXII

● Student10.1版，下載電纜自制。

（2）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)（DSP子系統(tǒng)）

由于系統(tǒng)在后期升級中，要求對下位機部分的數(shù)據(jù)進行較為復(fù)雜的預(yù)處理，同時系統(tǒng)在實時性方面要求較高。因此選用TI公司的TMS320C5409作為數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的CPU。

DSP子系統(tǒng)的主要工作流程為：

1） 接到Trigger（由前端換能模塊發(fā)出）中斷（INT0）觸發(fā)后，拉高START信號通知信號采集模塊開始工作，然后進入等待；

2） 接到RAM_FULL中斷（INT1）之后，知道RAM已經(jīng)寫滿，首先將START信號拉低停止CPLD和ADC。然后開始逐個讀RAM中的數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)要求做相應(yīng)處理，之后借助鎖存器發(fā)給AN2131Q;

3） 在本系統(tǒng)中，DSP軟件部分的幾個函數(shù)體包括：主循環(huán)；int0中斷（前端觸發(fā)）；int1中斷（RAM已滿）。

（3）通信接口子系統(tǒng)（USB子系統(tǒng)）

該子系統(tǒng)完成的功能，就是通過鎖存器接收DSP發(fā)過來的數(shù)據(jù)，然后通過自身的USB控制器嵌入式系統(tǒng)是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，反映當代最新技術(shù)的先進水平。

嵌入式系統(tǒng)是當今非常熱門的研究領(lǐng)域，在PC市場已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統(tǒng)市場的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展。根據(jù)美國嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場需求量具有比PC市場大10～100倍的商機。

有機構(gòu)估計，全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場將超過1萬億美元。隨著技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規(guī)模集成電路、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統(tǒng)80%的工作量。嵌入式系統(tǒng)不同于一般PC 機上的應(yīng)用系統(tǒng)，即使是針對不同的具體應(yīng)用而設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)之間的差別也很大。

嵌入式系統(tǒng)一般功能單一、簡單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多。可以說，嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術(shù)。

嵌入式系統(tǒng)歷史及發(fā)展趨勢

事實上，在很早以前，嵌入式這個概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀60年代就用于對電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”（Stored Program Control）。嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。

以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個廣闊的嵌入式應(yīng)用市場，計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板，從而構(gòu)成專用的嵌入式計算機系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。

為靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設(shè)計一臺專用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專用計算機系統(tǒng)。

用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統(tǒng)，因此希望插件相互兼容，從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計的簡單STD總線廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。

20世紀80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計的微控制器，即俗稱的單片機，成為嵌入式計算機系統(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進一步提升了嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)水平，并迅速滲入到消費電子、醫(yī)療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域。

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進一步加速發(fā)展。面向?qū)崟r信號處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面，發(fā)展也較為迅速。

特別是掌上電腦，1997年在美國市場上掌上電腦不過四五個品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來。此外，Nokia推出了智能電話，西門子推出了機頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。

21世紀無疑是一個網(wǎng)絡(luò)的時代，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。嵌入式系統(tǒng)在各個領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿薮螅湓卺t(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

嵌入式系統(tǒng)的定義及分類

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等部分組成（見圖1），用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）和應(yīng)用程序編程。

有時設(shè)計人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。嵌入式系統(tǒng)通?？砂磮D2分類。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、交通、電子、醫(yī)療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)的特點

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點：

（1）對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度；

（2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷；

（3）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以便最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器；

（4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

嵌入式系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有六大重要特征：

（1）專用性強：嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密；

（2）知識集成度高：嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)；

（3）系統(tǒng)內(nèi)核?。呵度胧较到y(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力；

（4）系統(tǒng)精簡：嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分。它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，便具有較長的生命周期；

（5）高實時性和可靠性：為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中；

（6）系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，設(shè)計完成以后用戶通常不能直接對其中的程序功能進行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用

進入2008年，越來越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域。近期，德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領(lǐng)域加大投入。而我國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也將在2008年繼續(xù)其備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級別的投入將增加全社會對醫(yī)療儀器設(shè)備的需求。隨著生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關(guān)注也提升到一個前所未有的高度。

今天，越來越多的高科技手段開始運用到醫(yī)療儀器的設(shè)計中。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測設(shè)備，各類型的監(jiān)護儀器、超聲波、X射線成影設(shè)備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開始在各地醫(yī)院廣泛使用。遠程醫(yī)療、HIS、病人呼叫中心、數(shù)字化醫(yī)院等先進理念的出現(xiàn)和應(yīng)用，使醫(yī)院的管理比以往任何時候都更加完善和高效，同時病人享受到更加快捷方便和人性化的服務(wù)。

在技術(shù)領(lǐng)域，醫(yī)療儀器設(shè)備則開始呈現(xiàn)向便攜性和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢?？梢噪S身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機、心電監(jiān)護儀必然會有越來越大的市場需求。而網(wǎng)絡(luò)化的進一步普及也正在進入醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域，通過有線或無線技術(shù)，醫(yī)生可以遠程訪問病人的資料；數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測設(shè)備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫(yī)院的各個科室甚至是遠隔千里的不同醫(yī)院之間，從而節(jié)省了就醫(yī)者的時間和重復(fù)檢測的費用；而網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療儀器設(shè)備和系統(tǒng)也使遠程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實，身在某些不發(fā)達地區(qū)的重癥患者有可能通過遠程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。

在我國，由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問題。醫(yī)療儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化所帶來的這些益處對解決該問題也有著非?，F(xiàn)實的意義。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用

由于醫(yī)療儀器設(shè)備固有的自身特點和以上提到的最新發(fā)展趨勢的要求，用于醫(yī)療儀器設(shè)備的技術(shù)和系統(tǒng)也應(yīng)該與這些特點和要求相適應(yīng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備，符合發(fā)展趨勢帶來的要求和變化。醫(yī)療儀器領(lǐng)域大量醫(yī)療儀器的應(yīng)用，如心臟起搏器、放射設(shè)備及分析監(jiān)護設(shè)備，都需要嵌入式系統(tǒng)的支持。

各種化驗設(shè)備，如肌動電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計等，都需要使用高性能的、專用化的DSP系統(tǒng)來提高其精度和速度。引入嵌入式系統(tǒng)后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護儀的發(fā)往HOST。

采用Cypress公司的AN2131Q作為USB通信芯片。AN2131Q功能框圖如圖3。該芯片的主要特性為：

● 改進的8051內(nèi)核。性能可達到標準8051的5~10倍，與標準8051的指令完全兼容；

● 高度集成。傳統(tǒng)USB外設(shè)的硬件設(shè)計通常包括非易失性存儲器（如EPROM、EEPROM、FLASH ROM）、微處理器、RAM、SIE（串行接口引擎）和DMA等。EZ-USB將上述多個模塊集成在一個芯片中，從而減少了各芯片接口部分時序配合時的麻煩；

● Cypress公司的EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。這種設(shè)計不受端點數(shù)目、緩沖區(qū)大小及傳輸速度的限制；

● USB 內(nèi)核。AN2131Q可以代替USB外設(shè)開發(fā)者完成USB協(xié)議中規(guī)定的80%~90%的通信工作，使得開發(fā)者不需要深入了解USB的低級協(xié)議即可順利地開發(fā)出所需要的USB外設(shè)；

● 易用的軟件開發(fā)工具。固件可獨立于驅(qū)動程序被測試。驅(qū)動程序和固件的開發(fā)與調(diào)試相互獨立，可加快開發(fā)的速度。

● 軟配置。外設(shè)未通過USB接口連接到PC機之前，外設(shè)上的固件存儲在PC上；一旦外設(shè)接到PC機上，PC讀取設(shè)備描述符，然后將該外設(shè)的固件下載到EZ-USB的RAM中并執(zhí)行，這個過程叫做再枚舉。這種基于RAM的軟配置方法，可以允許無限的配置和升級。

AN2131Q屬于Cypress公司EZ-USB系列，其驅(qū)動在Cypress公司提供的例程中略加改動即可使用，簡單可靠，編輯、編譯工具為Microsoft的VC++6.0和98DDK，調(diào)試工具采用SOFTICE。驅(qū)動程序為上層應(yīng)用程序提供了很多API接口。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與處理子系統(tǒng)的通信與同步

本系統(tǒng)有采樣速率快，數(shù)據(jù)量大的特點。本系統(tǒng)中，8位ADC的采樣頻率為100MHz，采樣寬度為每次20ms，那么每次采樣得到數(shù)據(jù)為100MHz*20ms=2KB;Trigger信號脈沖寬度采用50ms，由此可計算出每幀數(shù)據(jù)量為2KB * 50ms * 10KHz = 1M。

數(shù)據(jù)處理采用的DSP芯片滿足這個速率要求，但是還要通過USB把數(shù)據(jù)傳向主機，而系統(tǒng)采用的AN2131Q為USB1.1協(xié)議芯片，經(jīng)過測算其達不到理論的1Mb/s，因此，兩個子系統(tǒng)之間必須通過緩沖器進行通信。目前常用的多處理器間通信方法有三種：雙口RAM; 高速FIFO; 總線開關(guān)加存儲器。

其中前兩者相對簡單，容易控制，但是由于目前雙口RAM和FIFO的速率和容量都達不到本系統(tǒng)的要求，因此最終選用最后一種方法，即高速RAM加總線開關(guān)的方法，由CPLD系統(tǒng)和DSP分時訪問RAM。

CPLD在START電平變低之后，地址線輸出高阻，此時ADC的數(shù)據(jù)輸出也是高阻，此時DSP才開始從RAM讀數(shù)據(jù)，這一邏輯保證了不會發(fā)生總線沖突。

高速DSP系統(tǒng)與AN2131Q的通信控制

通過一片數(shù)據(jù)鎖存器作為緩沖器，利用TMS320C5409的XF和BIO引腳和AN2131Q的兩個IO口作為握手引腳；同時，DSP利用中斷來管理數(shù)據(jù)傳輸；AN2131Q則通過輪循來管理數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)整體調(diào)試

由于要采集的信號頻率較高，因此，電路板的抗高頻干擾問題是一個很重要的問題，經(jīng)過測試，高頻信號在系統(tǒng)中沒有產(chǎn)生影響系統(tǒng)整體性能的干擾。

用HP信號發(fā)生器分別產(chǎn)生500KHz、5MHz、10MHz、20MHz的信號進行測試，DSP子系統(tǒng)暫時沒有對信號進行預(yù)處理而是原樣不動的發(fā)給USB通信芯片（信號處理函數(shù)暫時設(shè)為空參數(shù)）。在應(yīng)用程序中，上層軟件利用多線程處理技術(shù)，把采集到的信號同時進行分析、顯示、存儲等，系統(tǒng)達到了令人滿意的實時性。

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