基于DSP阵列及千兆网接口的彩超信号处理系统设计与实现

论文摘要

超声诊断是一种经济、快速、可重复、无损伤的检查手段,在医学临床的许多领域得到广泛应用。今天高端彩超集B模式、M模式、脉冲多谱勒、彩色多谱勒血流成像等诊断功能于一身,既能显示二维成像结构图又能直观快速地显示血流分布和状态,使得对疾病的诊断更加明确。全数字便携式彩超是近年发展的热点,体积虽小却具备所有基本功能,可以大幅降低设备购置成本,提高我国边远地区的医疗诊断水平。因此,研制低成本便携式彩超系统具有非常重要的意义。本论文以DSP阵列和千兆以太网接口技术为核心,设计并实现彩超信号处理和图像数据实时传输子系统。彩超是信号处理密集型应用,而DSP阵列技术以多芯片组成处理阵列协同完成复杂信号处理任务,可以满足其对处理性能要求。千兆以太网技术是低成本、高性能的数据传输技术,应用广泛,技术成熟。这些都为构建各种规模的低成本便携式彩超系统提供了基础。论文首先简述了超声成像的基本原理,并按彩超信号处理流程介绍了基础信号处理算法,包括数字波束形成、数字包络检波、B和M模式、PW模式、CF模式成像。并对超声诊断系统中两个的关键技术—DSP阵列互连技术和千兆以太网的关键概念进行了介绍。系统设计核心采用TigerSHARC TS201处理器和AX88180千兆以太网控制器。设计上实现采用点到点互连和分布式存储结构,系统具有模块化、可扩展的优点。通过逻辑设计实现了前端FPGA与TS201处理器LINK口的高速数据接口,实现了100MB/s数据吞吐率稳定数据传输;设计实现了TS201处理器与后端AX88180以太网控制器接口,完成了TS201上AX88180以太网控制器的底层设备驱动程序;通过底层MAC帧数据传输方式实现以太网实时数据传输,解决了TCP/IP的传输协议延时不确定的问题,实现了与PC机间65MB/s实时图像数据传输率。最后在该系统上实现了彩超B和CF两种基本成像模式的实时信号处理软件,验证了所实现的系统可以满足彩超系统的需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源、背景及意义
• 1.2 超声成像系统国内外研究现状与发展
• 1.3 DSP 阵列及千兆网技术的现状与发展
• 1.4 论文的主要内容及结构
• 第二章 彩超原理和基础信号处理算法
• 2.1 彩超成像基本原理
• 2.2 超声诊断仪基本结构
• 2.3 彩超基础信号处理算法
• 2.3.1 数字波束形成
• 2.3.2 数字包络检波
• 2.3.3 M 和B 模式成像
• 2.3.4 PWD 模式成像
• 2.3.5 CF 模式成像
• 2.4 本章小结
• 第三章 DSP 阵列互连和千兆网技术基础
• 3.1 DSP 阵列互连结构
• 3.1.1 共享总线并行互连
• 3.1.2 点到点分布式互连
• 3.1.3 交换网分布式互连
• 3.2 千兆以太网技术基础
• 3.2.1 千兆网MAC 子层的功能
• 3.2.2 千兆网MAC 层工作模式
• 3.2.3 千兆网MAC层地址
• 3.2.4 千兆网MAC 层帧格式
• 3.2.5 千兆交换式以太网
• 3.3 本章小结
• 第四章 彩超信号处理系统设计与实现
• 4.1 彩超信号处理系统设计目标
• 4.2 彩超信号处理系统总体设计
• 4.2.1 核心芯片的选择
• 4.2.2 TigerSHARC TS201 处理器
• 4.2.3 AX88180 千兆网控制器
• 4.2.4 信号处理模块结构设计
• 4.2.5 信号处理系统互连结构
• 4.2.6 需要解决的关键技术
• 4.3 TS201 与AX88180 接口设计
• 4.3.1 接口设计原理
• 4.3.2 AX88180 主机接口
• 4.3.3 TS201 外部接口
• 4.4 网络驱动程序与实时数据传输
• 4.4.1 DSP 端网络驱动程序实现
• 4.4.2 PC 端网络驱动程序实现
• 4.4.3 实现网络实时数据传输
• 4.5 TS201 与前端FPGA 接口设计
• 4.5.1 TS201 LINK 口互连信号
• 4.5.2 TS201 LINK 口通信协议
• 4.5.3 LINK 口FPGA 实现
• 4.5.4 LINK 配置及控制程序
• 4.5.5 设计实现的性能测试
• 4.6 彩超信号处理软件设计与实现
• 4.6.1 信号处理软件主机仿真
• 4.6.2 信号处理软件设计实现
• 4.7 彩超信号处理模块实现结果
• 4.8 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果