基于FPGA的高分辨超声快速扫描成像系统研制

基于FPGA的高集成度超声波相控阵激发系统骆英;仇鹤;张文干;王自平【摘要】近年来超声相控阵检测技术正逐渐成为国际无损检测领域的研究热点之一.目前国内外的超声相控阵系统结构复杂、集成度较低.基于FPGA技术,将系统延时算法模块与时序控制模块进行单片集成,基于串行发射方式提出了一种在单片电路上实现多通道相控阵超声发射系统的设计方案,从而提高了系统硬件集成度.运用DSP Builder完成了延时算法的运算及测试.利用数字波形发射方式使得激励信号参数及相位延迟任意可调,实现了高精度的延时控制,提高了缺陷检测的分辨率和信噪比.系统主要包括信号发生模块、信号调理模块及接收模块.试验结果表明:该系统工作性能稳定,延时精确度高,对超声相控阵发射系统的优化具有重要的意义.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P26-28,44)【关键词】超声相控阵;延时;DSP Builder;高集成度;FPGA【作者】骆英;仇鹤;张文干;王自平【作者单位】江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013;江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013;江苏大学理学院,江苏镇江212013;江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TN980 引言随着现代工业的高速发展，社会对各类机械结构的安全性和可靠性的要求越来越高[1]。

受周期性载荷的影响，机械工件的焊接处易发生应力集中现象，导致焊接处产生裂纹、断裂等。

因此，必须对机械结构进行无损检测以实现对其损伤的早期识别，从而采取措施保证机械结构的安全运行。

超声相控阵无损检测技术可以高速、全方位和多角度地对损伤进行检测，有效解决了结构损伤检测中咨询波可达性差和空间限制等问题，具有广阔的应用前景[2-3]。

目前的相控阵超声波激发技术是通过在换能器两端施加高压脉冲产生超声波[4-5]，这种激发方式简单可靠，但发射信号参数难以调控，限制了后续的检测分辨率。

基于FPGA的高精度超声波测距系统的设计汪才杰;张大名;张米露【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)017【摘要】This paper designes an FPGA-based high-precision ultrasonic ranging module. For chip timing and signal processing, the Cyclone II series EP2C5T144C8 is used to design logic circuit module such as timing generator, high-speed counting, echo identification, variable threshold control, which can process signal quickly and orderly. In the speed of sound, it adds temperature compensation module to avoid the bias values which are introduced by the use of the fixed velocity, thereby improvingthe system accuracy. The system has high reliability, high integration and fast response characteristics. Experiments show that the relative error is less than 0.3% away from the obstacle 600 mm to 3 600 ram, the measurement accuracy is greatly improved.%设计了一种基于FPGA的超声波测距模块。

基于FPGA的超声波成像系统设计作者：叶先万刘聪鑫胡霄吴松和来源：《锋绘》2018年第03期摘要：文章自主设计了一种超声波成像系统，采用超声波激发电路发射窄脉冲信号，激励微型电容式超声换能器向目标检测物体发射超声波信号，采用收发隔离电路接收目标检测物体反射回的回波信号，结合FPGA模块对回波信号的处理，大大提高了信号处理速度，及成像效率。

关键词：超声波成像；超声换能器；FPGA处理随着科技的进步，超声波成像技术广泛应用于人类生活的各个领域，在医学诊断、无损检测、超声显微镜和水下探测等多个领域内均发挥着重要的作用。

超声成像系统的性能取决于超声换能器、信号处理电路、图像处理的方法和声学封装的技术水平。

其中超声换能器能够发射超声波和检测超声波，实现电声转换和声电转换，是超声成像诊断设备的核心部件，所以超声换能器的发展对提高超声检测技术和设备的发展起着决定性的作用。

但现有的超声波成像装置中大多数利用传统的压电式超声波换能器，由于种种限制已不能满足现代超声检测的需求。

基于此，文章利用微电容式超声波换能器，通过回波处理电路等模块，利用FP-GA+ARM的异构系统，完成数字波束合成，解调和检波等信号处理，最终实现成像。

1 总体设计设计系统的核心控制方式采用FPGA与ARM异构，其中选用的是Altera公司的DE2-70开发板，ARM处理芯片选用的是ST公司的STM32F系列开发板，总体结合FPGA的强大运算能力和ARM高效的处理能力，使设计系统具有高效的工作性能。

整体设计框图如图1所示。

首先电源模块的作用为给电路中各个模块进行供电用来保证电路持续稳定工作。

超声波激发电路能够产生尖锐的高压脉冲信号，可以用来激励超声波换能器发射定向超声波。

发射出的超声波信号与被测物体接触后会产生回波反射信号，接收回波前，该信号先要经过一个收发隔离电路用于分隔入射波与反射波，阻止高压发射脉冲进入回波接收电路。

由于超声系统成像时，经物体反射回来的超声波衰减严重，回波信号比较微弱，故需要利用一个低噪声放大器对回波信号进行适当的放大，增大信噪比。

基于FPGA的高分辨率图像采集系统设计摘要：为满足目前监控船舶电子海图、雷达等高分辨率图像的需求，提出并实现了采用以FPGA为核心进行图像采集、处理的系统。

系统采用了Altera公司的CycloneIV FPGA为核心，通过ADI公司的图像解码芯片ADV7604完成对模拟VGA信号的采集。

FPGA完成对ADC芯片的控制，数字图像存储、压缩及传输处理等。

经过相关软硬件测试，本系统可以满足对1600×1200@60Hz高分辨率VGA图像的采集与处理，且效果良好。

关键词：图像采集；FPGA；ADV7604；数字图像处理引言随着计算机技术的日益发展，图像应用愈加广泛，并已经成为工程学、计算机科学、信息科学、物理学、化学等领域各个学科之间学习和研究的对象。

与此同时，FPGA因其高性能、高灵活性以及低开发成本等优点，在通信、医疗、计算机、电力等各个领域得到广泛应用，同样，该CPU也非常适合视频和图像处理应用。

因此，针对目前船舶电子海图以及导航雷达监控的需要，采用了FPGA作为核心CPU进行图像采集处理。

FPGA图像采集系统设计的总体结构如图1所示，外部输入VGA模拟图像，经过图像采集芯片ADV7604转化为数字图像之后送入FPGA，FPGA从中提取出有效的图像数据，并将其进行图像抽取、压缩等处理，DDR2 SDRAM完成对大数据量图像数据的缓存，待图像处理算法完成后，按照规定好的通信协议打包，通过以太网送到外部主机单元，做进一步处理。

在上述图像采集处理过程中，FPGA主要完成了以下工作：1）对ADC芯片进行上电初始化工作；2）完成对数字图像的抽取；3）完成对图像的压缩、去噪等算法处理；4）完成对DDR2 SDRAM存储器的缓存控制；5）完成对PHY芯片的控制，图像数据打包发送工作。

图像采集单元硬件平台设计硬件平台采用了Altera公司的第四代Cyclone FPGA，该系列FPGA因其较高的信价比而被采用，无论其工艺、性能、成本以及货期都满足要求；ADC图像采集芯片选用了ADI公司的ADV7604芯片，该芯片工作温度范围-40℃~70℃，能够采集1600×1200@60HZ分辨率的VGA图像。

基于fpga控制的超声信号采集处理系统和方法与流程
基于FPGA控制的超声信号采集处理系统和方法，其流程包括：
1.采集来自超声传感器的超声信号，并将其放大、转换和高速缓存。

2.采用数字波束合成器对多通道超声回波信号进行波束合成，并对
不同通道信号进行延时，使同一点的信号同相相加，同时对多个通道的回波信号进行空间域上的加窗，类似匹配滤波，以提高信号的信噪比。

3.对合成后的超声视频信号做一个帧相关的预处理，即图像帧与帧
之间对应象素灰度上的平滑处理。

4.采用FPGA实现读写控制时，为了避免同时对一个帧存进行读写
操作，需要设置读写互斥锁进行存储器状态切换。

以上是基于FPGA控制的超声信号采集处理系统和方法的主要步骤。

基于FPGA的超声波数据采集系统的开题报告摘要：超声波在医学、工业、环保等领域得到了广泛应用。

超声波数据采集系统是超声波成像设备的重要组成部分。

本课题将基于FPGA设计超声波数据采集系统，实现数据采集、存储和显示功能。

本文将介绍超声波成像原理、FPGA基础知识、超声波数据采集系统的设计和实现，并对系统的性能进行测试和分析。

关键词：超声波数据采集系统；FPGA；数据存储；数据显示；性能测试一、课题背景超声波作为一种高频声波，其在医学、工业、环保等领域得到了广泛应用。

其中，医学领域应用最为广泛，主要用于人体内部器官的成像诊断。

超声波成像设备是医学超声诊断的主要手段之一，其核心部件是超声波探头。

超声波探头通过向人体内部发出超声波信号，然后接收信号回波并进行处理，最终形成图像。

超声波探头是通过FPGA集成电路对数据进行采集、处理和显示。

因此，基于FPGA的超声波数据采集系统设计研究已成为当今热门课题之一。

本课题旨在从超声波成像原理和FPGA基础知识出发，设计、实现一款超声波数据采集系统，能够实现数据采集、存储和显示功能，并对系统进行性能测试和分析。

二、研究内容和研究目标1. 研究超声波成像原理，了解其在医学、工业、环保等领域的应用；2. 研究FPGA基础知识，包括FPGA的硬件结构、IP核的使用和Verilog HDL语言的编写；3. 设计一款基于FPGA的超声波数据采集系统，包括硬件设计和软件设计；4. 实现超声波数据采集、存储和显示功能，并进行性能测试和分析。

三、研究方法和技术路线1. 超声波成像原理和FPGA基础知识的研究。

首先，通过文献调研和实验验证的方式，深入研究超声波成像原理，理解其在不同领域的应用。

然后，学习FPGA基础知识，包括FPGA的硬件结构、IP核的使用和Verilog HDL语言的编写。

2. 超声波数据采集系统的设计和实现。

基于之前的学习，根据超声波成像的特点，设计出一款基于FPGA的超声波数据采集系统，完成硬件和软件设计。

基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统设计摘要：随着科技的发展，高分辨率图像采集系统在许多领域都有着广泛的应用。

然而，传统的图像采集系统存在着采集速度慢、图像分辨率低等问题。

本文设计了一种基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统，通过使用FPGA加速图像采集和处理过程，实现了高速高分辨率图像的采集和传输。

实验证明，该系统在广域图像采集领域具有广阔的应用前景。

1. 引言高分辨率图像采集系统在无人机、航天、卫星等广域图像采集领域有着广泛的应用。

传统的图像采集系统存在着运算速度慢、图像分辨率低等问题，难以满足实际需求。

因此，设计一种基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统，具有重要的实际意义。

2. 系统设计2.1 系统结构基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统主要包括图像传感器、FPGA芯片、存储器、数据传输模块等部分。

2.2 图像采集与处理图像采集部分主要通过图像传感器实现，传感器将图像数据转换为模拟信号，并通过FPGA芯片进行采集和处理。

FPGA芯片具有并行运算的特点，能够加速图像处理过程。

图像处理部分主要包括图像去噪、边缘增强、色彩校正等功能。

FPGA芯片通过预先设计的图像处理算法对图像进行实时处理，提高图像质量和分辨率。

2.3 存储与传输通过存储器对采集到的图像数据进行存储，实现数据长时间保存。

同时，通过数据传输模块将采集到的图像数据传输给后端处理系统。

3. FPGA芯片设计3.1 时钟和电源设计FPGA芯片需要稳定的时钟信号和电源供应。

合理设计时钟和电源电路，能够提高系统的稳定性和可靠性。

3.2 数据采集和传输设计FPGA芯片通过并行采集和处理图像数据能够提高采集速度和图像分辨率。

同时，为了实现高速的数据传输，需要设计高速的数据总线和接口电路。

3.3 算法设计根据图像采集需求，设计合适的图像处理算法。

通过优化算法和并行处理技术，提高图像处理效率和质量。

4. 系统性能评估通过对基于FPGA的广域高分辨率图像采集系统的实验测试，评估系统的性能。

基于FPGA的高精度超声波测距仪设计杨秀增;杨仁桓【摘要】In order to improve the measurement accuracy,a high?precision ultrasonic range finder was designed based on field programmable gate array(FPGA)technology. The hardware system platform based on SoPC was designed on a high?density FPGA by using QuartusⅡ software. The NiosⅡ EDS development software is used to develop the software system of the range finder. The hardware resource inside FPGA is adopted to design the high?speed ultrasonic controller. The temperature sensor DS18B20 is employed to measure the environment temperature. The temperature is used to correct the ultrasonic propagation ve?locity. The test results show that the ultrasonic range finder has high range measuring precision,and a certain practical promo?tion value.%为了提高超声波的测量精度，利用FPGA 技术设计一款高精度超声波测距仪。

利用QuartusⅡ软件在一片高密度的可编程逻辑门列阵（FPGA）上，设计基于SoPC的硬件系统平台，并利用NiosⅡ EDS 开发软件开发测量仪的软件系统。

基于FPGA和DSP的超声波检测系统设计
郑超;王雪梅;倪文波
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2010(036)006
【摘要】针对目前机车车辆模拟式超声波检测仪器的不足,设计了一种基于FPGA 和DSP的数字式超声波检测系统.整个系统由信号预处理模块、高速AD转换器和数据采集处理等模块构成,解决了超声波检测中的高速数据采集和处理的关键问题,实现了超声波信号的检测、处理和显示.试验结果表明,由于采用高速数字信号处理技术,不仅提高了检测系统的精度,而且系统运行稳定可靠,达到超声波信号检测要求.【总页数】4页(P53-56)
【作者】郑超;王雪梅;倪文波
【作者单位】西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TP273;TH878+.2
【相关文献】
1.基于FPGA＋DSP的红外弱小目标检测系统设计 [J], 金长江;师廷伟;相征;
2.基于FPGA与DSP的烟尘污染检测系统设计 [J], 杨照宏;孙建伟;张立
3.基于DSP+FPGA的红外图像小目标检测系统设计 [J], 康令州;陈福深;黄自力;王德胜
4.基于DSP+FPGA的矿井轨道行人检测系统设计 [J], 马忠磊;郎文辉;李晓明;卫星
5.基于FPGA的DSP检测系统设计 [J], 吴杰
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项目方案一、项目名称基于FPGA医学超声数据采集处理分析系统的研发二、项目实施内容超声医学成像具有安全、迅速、功能丰富等特点，是目前应用最为广泛的医学成像技术之一，超声医学成像系统的研究对于医学成像领域的发展具有重要意义。

现阶段超声诊断设备都往着实时性更好、图像质量更高的方向发展，其关键在于基于FPGA 超声前端的系统设计，它的性能直接影响着整个系统的成像效率和成像质量。

但超声系统仍然存在着许多问题，主要包括波束合成控制复杂、成像帧率低以及成像效果不佳等。

针对这些问题，本项目主要从以下三个方面开展了研究：1、在波束合成环节，针对传统波束合成动态聚焦控制复杂、参数存储资源占用过多等问题，提出DDR参数优化控制方案。

通过上位机和DDR的搭配，简化参数计算和控制的流程，并保证FPGA内部RAM资源的充足，提高系统稳定性。

2、在信号处理环节，为了降低图像数据量使上位机在图像处理运算更快、成像效率更高，对回波数据进行对数压缩，并设计分数被抽取滤波器来降低FPGA上传的数据量。

4、为提高系统图像帧率，在回波接收阶段采用多波束技术，使图像帧率大幅增加。

同时采用线复合和弱聚焦成像技术解决在多波束接收中出现的图像失真问题，提高图像质量。

三、项目完成指标1、技术指标：通过本项目基于FPGA的波束合成器设计、高帧率和图像质量进行优化等设计出一套基于FPGA医学超声数据采集处理分析系统，并完成仿真与验证。

2、知识产权指标：通过本项目的研发至少申请知识产权6项，其中发明专利2项，计算机软件著作权4项。

3、项目投入指标：本项目完成研发投入56.00万元。

4、项目量化指标：通过本项目的研发培养公司技术骨干2名，吸纳高校应届毕业生2-3名。

四、项目技术路线FPGA在超声成像系统中主要完成了波束合成，回波信号处理，数据存储等工作。

波束合成部分主要包括了收发聚焦，动态变迹等；回波处理部分由滤波，插值，抽取，包络检波，动态调整等组成；数据存储主要通过DDR3 SDRAM来完成。

基于FPGA的高频超声成像实验平台周峥;郑政【期刊名称】《中国生物医学工程学报》【年(卷),期】2015(034)005【摘要】高频超声具有卓越的分辨能力,在临床和医学基础研究中都得到重要应用.新的图像和信号处理算法不断被提出来,用于提高其成像质量和获取新的信息.为了实验这些算法,需要一个通过编程来改变功能的实验平台,这个平台必须能进行高频超声扫描以采集图像,具备足够实验算法运行的硬件资源,而且能提供方便的调试手段.针对上述应用,提出一种基于FPGA的实验平台,用于研究10 ～ 50 MHz高频超声的图像和信号处理的实时算法.该平台具有与实验算法模块相独立的扫描控制器,可以保证在实验算法的调试过程中图像采集和显示均不受影响.系统以180 MHz 的采样率采集射频信号,以大规模FPGA及其外围电路提供实验算法运行的空间,并预置可配置的带通滤波器、正交解调、降采样、基带信号幅度检测和对数压缩等处理模块.还开发一个RAM观测工具,专门用于读取处理过程中存入片外RAM的图像数据,以检验中间结果的正确性.采用10 MHz的超声探头,对志愿者眼球进行在体扫描实验,分别对平台的数据采集、带通滤波、幅度提取、对数压缩等模块进行验证.结果表明,带通滤波处理能有效滤除射频信号中的高频、低频噪声,在处理时钟选为50 MHz的条件下,对于每条探测深度为64 mm的扫描线,平台从数据采集至IQ 降采样输出完毕,总时间为85.34 μs,而幅度检测和对数压缩算法在340 ns中就可以完成.该处理速度完全能够满足成像的实时性要求.【总页数】8页(P581-588)【作者】周峥;郑政【作者单位】上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】R318.08【相关文献】1.基于FPGA和VC++的通信原理实验教学平台的设计 [J], 王明蕾;王莹2.基于ARM和FPGA的嵌入式实验平台设计 [J], 宋孟华;王斌;王泽3.基于FPGA的远程实体操控单片机实验平台开发 [J], 秦晓梅;谢梦琦;巢明;马驰;高庆华;王开宇4.基于FPGA的四旋翼无人机综合教学实验平台设计 [J], 陈家林; 包谛; 牛炯; 陈震5.基于FPGA的STT-MRAM信道虚拟实验平台设计 [J], 张小军;陈成官;郭华;张德学;周韬略因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于FPGA的超声波信号处理研究余云飞【摘要】From research on the structure of ultrasonic flaw detection system, the structural characteristics and basic principles of FIR filter was under analysis. In order to lessen the impact on detection accuracy from noise in the ultrasonic detecting process, FPGA was utilized to achieve the digital signal processing, and the distributed algorithm (DA) was to achieve the FIR filter. With the increase of the number of variables, the parallel algorithm came into use, and the resources that the FPGA hardware costs decreased. The results of simulation show that the noise was lowered remarkably, and the processing efficiency of the signal was improved.%从超声探伤系统结构入手,有限脉冲响应( FIR)数字滤波器的结构特点和基本原理得以分析.为了降低超声波检测过程中噪声对检测精度的影响,提出了利用FPGA来实现数字信号的处理,运用分布式算法(DA)来实现FIR滤波器.随着变量的位数增加,运用了并行式的分布算法,减少了FPGA硬件资源的耗费.仿真结果表明,消噪效果良好,信号的处理效率得到了提高.【期刊名称】《芜湖职业技术学院学报》【年(卷),期】2015(017)004【总页数】6页(P58-62,67)【关键词】FPGA;分布式算法;信号处理;FIR滤波器【作者】余云飞【作者单位】芜湖职业技术学院电气工程学院,安徽芜湖,241006【正文语种】中文【中图分类】TH878+2超声在工业上的应用主要是超声探伤和超声测距，而作为检测超声波的探伤仪，其中的数据处理是关键。

一种基于FPGA的高分辨率超声血流测速系统
邱维宝;杨亚普;吴米龙;黎国锋;牟培田;钱明;孙雷;郑海荣
【期刊名称】《声学技术》
【年(卷),期】2013(0)S1
【摘要】0引言临床医学研究表明,血液的动力学参数能够直接反映血管的生理功能[1]。

通过血流测量可以得到血流速度、血流量等参数,从而判定心脏机能,对心血管系统疾病进行早期诊断、确定血管疾病的治疗方案和评估效果。

传统的多普勒血流测量系统采用模拟电路来实现对回波信号的检测。

【总页数】2页(P193-194)
【关键词】多普勒血流测量;高分辨率超声;测速系统;心血管系统疾病;临床医学研究;模拟电路;评估效果;动力学参数;血管疾病;超声换能器
【作者】邱维宝;杨亚普;吴米龙;黎国锋;牟培田;钱明;孙雷;郑海荣
【作者单位】中国科学院深圳先进技术研究院医工所影像中心;香港理工大学生物医学工程跨领域学部
【正文语种】中文
【中图分类】O426.9
【相关文献】
1.一种基于FPGA的高频超声灰阶血流成像系统设计 [J], 王晓春;计建军;杨军;王延群;周盛
2.基于PCI总线的超声多普勒血流测速系统研究 [J], 袁帅;赵兴群;夏翎;白振华;万
遂人
3.一种基于FPGA的全隔离炮口测速方法 [J], 魏鹏;赵河明;张志
4.一种基于FPGA的数字锁相环测速实现方法 [J], 王广平;马选谋;岳喜成
5.基于EEMD有效成分优选的超声多普勒血流测速法 [J], 杨本贤;何冰冰;张榆锋;聂建云;姚瑞晗;刘亚杰
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一种基于FPGA的数字超声电子聚焦系统的设计
史兴;刘丽佳;余龙江
【期刊名称】《计算机与数字工程》
【年(卷),期】2005(033)012
【摘要】介绍了一种应用于数字超声诊断仪的电子相控聚焦系统的设计.文中简要讨论了电子相控聚焦的原理和影响成像效果的重要因素.详细介绍了系统的结构设计、模块划分以及各模块的功能,使用VHDL语言编程进行模块实现和系统片上集成.仿真结果验证了系统功能和该设计方案的优越性.
【总页数】4页(P132-135)
【作者】史兴;刘丽佳;余龙江
【作者单位】华中科技大学生命科学与技术学院,武汉,430074;华中科技大学生命科学与技术学院,武汉,430074;华中科技大学生命科学与技术学院,武汉,430074【正文语种】中文
【中图分类】TP271
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1.一种基于FPGA与DSP的数字射频发射机的设计与实现 [J], 成炜
2.一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计 [J], 厉沁知;周焚江;蒋旭辉
3.一种基于FPGA软核处理器的数字控制系统设计 [J], 陈艺
4.一种基于FPGA的数字音频处理器设计 [J], 廖钧华
5.一种基于FPGA的数字交换芯片设计 [J], 李国民;刘辰
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