彩超控制系统设计与实现

论文摘要

超声诊断技术具有安全、方便、无损、廉价等优点,但是传统的超声诊断仪存在着体积大、功耗高的缺点。便携式数字超声诊断仪基于嵌入式硬件平台和嵌入式操作系统,与传统的超声诊断仪相比,它的成本低、功耗低,并能获得更高的性能。而且它能够对超声视频图像信号进行多种数字信号处理,使图象质量进一步提高,并为战场救护和远程医疗打下基础,发展前景十分乐观。本文首先以超声诊断原理及超声诊断仪的结构为起点,着重描述了超声信号处理流程中各个子模块功能的设计,同时对可编程逻辑器件的结构特点、基本设计原则及设计流程也作了探讨。然后研究并设计了分布式算法、中值滤波算法和时域递归算法,并将这些算法应用至FPGA中的详细实现方法和在超声信号和视频图像处理子模块中。在此基础上,本文详细探讨并设计了一种便携式数字超声成像系统的硬件方案,该系统由具有实时超声视频采集和图像预处理功能的FPGA子系统和基于ARM处理器的嵌入式子系统组成。其中FPGA子模块以FPGA为核心,由数字波束合成器、动态滤波器、视频图像帧存控制模块、图像低级别处理模块、DMA通道和FPGA配置电路组成。嵌入式子系统以32位高性能ARM微处理器S3C2410X为硬件核心,扩展了网络接口、USB接口和RS232串口等外围通用接口;以嵌入式实时操作系统LINUX为软件平台进行图像处理。最后,本文探讨了多媒体协处理器在LCD显示中的应用。该成像系统充分利用了FPGA芯片和ARM微处理器高性能、低功耗、低成本的优势,发挥了操作系统LINUX可移植性好、开发成本低的优点,为便携式数字超声诊断仪的设计提供了一个经济实用的解决方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目标和意义
• 1.2 超声诊断技术的发展
• 1.3 本文研究工作
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 超声成像系统理论基础
• 2.1 超声回波所携带的信息
• 2.1.1 反射和散射回波
• 2.1.2 超声成像的基本特征
• 2.2 M 超与 B 超原理
• 2.2.1 M 超原理
• 2.2.2 B 超原理
• 2.3 超声多普勒成像原理
• 2.4 医用超声换能器
• 2.4.1 压电效应
• 2.4.2 压电换能器的特性
• 2.5 小结
• 第三章 彩超控制系统总体设计
• 3.1 嵌入式数字超声诊断仪成像系统设计
• 3.1.1 设计思想与目标
• 3.1.2 系统总体结构框图及信号流程
• 3.2 ARM 处理器及外围接口
• 3.2.1 方案的选择
• 3.2.2 ARM 微处理器
• 3.2.3 s3C2410 结构
• 3.2.4 串行与网络接口
• 3.2.5 晶振与复位电路
• 3.3 LCD 显示控制
• 3.3.1 内建 LCD 控制器
• 3.3.2 多媒体协处理器
• 3.3.3 ARM 处理器与多媒体协处理器的连接
• 3.4 小结
• 第四章 FPGA 在信号处理中的应用
• 4.1 FPGA 特征与 EDA 发展
• 4.1.1 FPGA 设计流程
• 4.1.2 基于 FPGA 的数字信号处理系统的设计原则
• 4.2 基于 FPGA 的 FIR 数字滤波器的设计与实现
• 4.2.1 数字滤波器的分类
• 4.2.2 FIR 数字滤波器的窗函数
• 4.2.3 FIR 数字滤波器的设计基础
• 4.2.4 FIR 数字滤波器的硬件实现
• 4.2.5 FIR 数字滤波器的软件编程
• 4.2.6 超声回波信号动态滤波
• 4.3 帧相关处理
• 4.3.1 时域递归滤波原理
• 4.3.2 帧相关的 FPGA 实现
• 4.4 波束合成
• 4.4.1 数字波束合成原理和结构
• 4.4.2 硬件实现
• 4.5 基于 FPGA 图像中值滤波
• 4.5.1 快速中值算法
• 4.5.2 超声视频图像中值滤波的 FPGA 实现
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 实验成果及意义
• 5.2 本文工作回顾
• 5.3 存在的问题及进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读学位期间发表的论文
• 附件