《電子技術應用》
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基于PXIe的CMUT多通道超聲收發板卡設計與實現
電子技術應用
吳帥琦,何常德,孫帥文,盧小星,張國軍,張文棟
中北大學 省部共建動態測試技術國家重點實驗室
摘要: 為實現基于電容式微機械超聲換能器(CMUT)陣列探頭的多通道脈沖發射、數據采集、存儲、傳輸與分析,設計了一款基于PXIe總線的32通道的超聲收發一體板卡。該板卡采用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)作為主控制器,具備發射和接收兩種工作模式,通過T/R開關切換,在發射模式下,驅動CMUT陣列探頭發射超聲波信號,在采集模式下,接收CMUT的模擬回波信號,并由ADC轉換成14位的數字信號,編幀打包經DDR3緩存,通過PXIe接口傳輸至PC。對系統硬件電路和FPGA邏輯設計作了闡述,并通過驅動CMUT線陣,對亞力克板進行測試。測試結果表明,該板卡的設計滿足CMUT陣列探頭的使用需求,而且該系統可拓展更多通道。該板卡為精細化的超聲影像檢測、無損檢測提供了硬件支持。
中圖分類號:TB51+7 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245866
中文引用格式: 吳帥琦,何常德,孫帥文,等. 基于PXIe的CMUT多通道超聲收發板卡設計與實現[J]. 電子技術應用,2025,51(2):102-107.
英文引用格式: Wu Shuaiqi,He Changde,Sun Shuaiwen,et al. Design and implementation of CMUT multi-channel ultrasonic transceiver board based on PXIe[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(2):102-107.
Design and implementation of CMUT multi-channel ultrasonic transceiver board based on PXIe
Wu Shuaiqi,He Changde,Sun Shuaiwen,Lu Xiaoxing,Zhang Guojun,Zhang Wendong
State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China
Abstract: To enable multi-channel pulse transmission, data acquisition, storage, transmission, and analysis based on a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) array, a 32-channel ultrasound transceiver board was designed based on the PXIe bus. This board utilizes a field-programmable gate array (FPGA) as the main controller and supports both transmission and reception modes. The modes are switched via a T/R switch. In transmission mode, the board drives the CMUT array to emit ultrasonic signals. In reception mode, it receives the analog echo signals from the CMUT, converts them into 14-bit digital signals via an ADC, frames and packages the data, buffers it through DDR3 memory, and transmits it to a PC via the PXIe interface. The paper elaborates on the system’s hardware circuits and FPGA logic design and verifies the design by driving a CMUT linear array to test an acrylic board. The test results demonstrate that the board meets the requirements of the CMUT array, and the system can be expanded to support more channels. This board provides hardware support for high-resolution ultrasound imaging and non-destructive testing applications.
Key words : FPGA;PXIe;CMUT;multi-channel;data acquisition;ultrasound imaging system

引言

超聲作為一種經濟高效的成像方式,提供了實時交互式可視化的能力[1]。超聲成像技術廣泛應用于醫學診斷、水下探測和無損檢測[2-4]等。在超聲研究領域的最新發展中,多通道系統使超聲成像技術更為快速且便捷,通過使用多通道系統平臺,可以完全訪問所有傳感器陣元,從而最自由地保證新應用程序的開發[5]。

隨著微電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的長足發展,利用 MEMS 微加工技術制作的微電容超聲換能器具有寬頻帶、高靈敏度、低功耗、低成本、高一致性、高密度集成等優勢[6]。CMUT制作工藝、結構參數和材料不同,CMUT的性能也不同[7],醫學超聲成像應用于2~10 MHz 的超聲換能器[8],水下超聲成像應用于2 MHz 以下的超聲換能器[9]。CMUT在醫學超聲成像領域中具有很好的成本和性能優勢,利用MEMS技術能夠研制滿足更高分辨率、更高精度、全自動電子掃描超聲 CT 成像系統的傳感器。此外,CMUT在無損檢測領域中逐漸嶄露頭角,CMUT特別適用于實現小孔徑和具有大量元件的陣列,多用于距離、液位和流速測量[10-12]。

本文設計了一款基于PXIe接口和 FPGA 控制的 CMUT多通道超聲收發板卡,具有成本低、高速傳輸、可靠性強的特點,實現了對CMUT陣列的脈沖發射、回波采集、數據打包、傳輸等功能,并且采用PXIE高性能模塊化的設計理念,為拓展更多通道奠定了基礎,在醫學超聲成像,無損檢測等領域具有更好的應用前景。


本文詳細內容請下載:

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作者信息:

吳帥琦,何常德,孫帥文,盧小星,張國軍,張文棟

(中北大學 省部共建動態測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051)


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