DSP和USB总线的高频超声数据采集系统

引言
　　超声医学即利用超声波的物理特性进行诊断和治疗的一门影像学科，其临床应用范围广泛，目前已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。
　　本系统是一个便携式软组织超声诊断仪的一部分，主要功能是高频超声信号采集。其工作机制，是在前端低频脉冲(20Hz~10KHz)的触发下，对由超声换能器产生的高频超声信号(1MHz~20MHz)进行采集，预处理，然后通过USB总线传输给PC机，由软件进行分析、处理。
　　在本设计方案中，高速CPLD芯片作为数据采集系统的核心部分，相比传统的MCU+ADC方法，CPLD是用硬件信号而不是软件编程来控制ADC，从而在速度上有很大的优势。而目前强大的VHDL编程语言也使得CPLD能很容易地实现预想的功能逻辑。数据处理部分，选用数据处理功能强大、处理速度高的DSP芯片作为CPU。而在与上位机通信方面，采用支持即插即用且成本也相对较低的USB接口。整体系统方面，各个子系统之间的数据传输和同步问题是技术难点。在经过反复比较和测试之后，采取高速存储器作为数据缓冲区的方案。
系统各组成模块
　　系统组成框图如图1，包括三个子系统：CPLD子系统，DSP子系统和USB子系统。其中，CPLD+ADC实现数据采集，DSP则负责数据处理，两者之间通过一片高速RAM来交换数据；USB芯片(AN2131Q)负责把数据通过USB线上传给主机，它和DSP之间通过一片锁存器进行通信。
数据采集子系统(CPLD子系统)
　　该子系统主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所组成。
　　由于要采集的超声信号最高频率为20M，根据Nyquist定律，采样频率应该在40MHz以上，为了提高精度，系统采用了ADI公司的AD9283芯片。该芯片最高工作频率为100MHz，经过测试，可很好地满足系统带宽要求。
　　以往的便携式数据采集系统中，下位机部分ADC-RAM模块往往采用MCU作为CPU来控制，因此，采集频率直接受到MCU速度的制约，而且和RAM存储器的同步也成为问题。经过比较，本系统采用Altera公司的CPLD芯片来控制ADC和RAM，从而很好地解决了时序精度和同步的问题。
　　CPLD作为控制芯片，实现的功能逻辑为：
　　● 接到DSP触发信号(START)之后，实现对ADC的控制，发出一个Start信号，ADC开始采样工作；
　　● 与ADC控制信号同步提供RAM地址计数器(A0~A16)和写信号(/WE)，使得每次ADC的结果直接存入RAM并且自动增加地址；
　　● 当地址计数器达到最大的时候,发出中断信号(RAM_FULL)，提示DSP系统RAM已满；
　　CPLD的功能逻辑用VHDL语言实现，其编译、仿真和综合采用Altera官方主页提供的MAXPLUXII Student10.1版，下载电缆自制。
数据处理子系统(DSP子系统)
　　由于系统在后期升级中，要求对下位机部分的数据进行较为复杂的预处理，同时系统在实时性方面要求较高。因此选用TI公司的TMS320C5409作为数据处理子系统的CPU。
　　DSP子系统的主要工作流程为：
　　1)接到Trigger(由前端换能模块发出)中断(INT0)触发后，拉高START信号通知信号采集模块开始工作,然后进入等待；
　　2)接到RAM_FULL中断(INT1)之后，知道RAM已经写满，首先将START信号拉低停止CPLD和ADC。然后开始逐个读RAM中的数据，根据系统要求做相应处理，之后借助锁存器发给AN2131Q；
　　3)在本系统中，DSP软件部分的几个函数体包括：主循环；int0中断(前端触发)；int1中断(RAM已满)。
通信接口子系统(USB子系统)
　　该子系统完成的功能，就是通过锁存器接收DSP发过来的数据，然后通过自身的USB控制器发往HOST。
　　采用Cypress公司的AN2131Q作为USB通信芯片。该芯片的主要特性为：
　　● 改进的8051内核。性能可达到标准8051的5~10倍，与标准8051的指令完全兼容；
　　● 高度集成。传统USB外设的硬件设计通常包括非易失性存储器(如EPROM、EEPROM、FLASH 、ROM)、微处理器、RAM、SIE(串行接口引擎)和DMA等。EZ-USB将上述多个模块集成在一个芯片中，从而减少了各芯片接口部分时序配合时的麻烦；
　　● USB内核。AN2131Q可以代替USB外设开发者完成USB协议中规定的80%~90%的通信工作，使得开发者不需要深入了解USB的低级协议即可顺利地开发出所需要的USB外设；
　　● Cypress公司的EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。这种设计不受端点数目、缓冲区大小及传输速度的限制;
　　● 软配置。外设未通过USB接口连接到PC机之前，外设上的固件存储在PC上；一旦外设接到PC机上，PC读取设备描述符，然后将该外设的固件下载到EZ-USB的RAM中并执行，这个过程叫做再枚举。这种基于RAM的软配置方法，可以允许无限的配置和升级。
　　● 易用的软件开发工具。固件可独立于驱动程序被测试。驱动程序和固件的开发与调试相互独立，可加快开发的速度。
　　AN2131Q属于Cypress公司EZ-USB系列，其驱动在Cypress公司提供的例程中略加改动即可使用，简单可靠，编辑、编译工具为Microsoft的VC++6.0和98DDK，调试工具采用SOFTICE。驱动程序为上层应用程序提供了很多API接口。
数据采集子系统与处理子系统的通信与同步
　　本系统有采样速率快，数据量大的特点。本系统中，8位ADC的采样频率为100MHz，采样宽度为每次20ms，那么每次采样得到数据为100MHz*20ms=2KB；Trigger信号脉冲宽度采用50ms，由此可计算出每帧数据量为2KB * 50ms * 10KHz = 1M。数据处理采用的DSP芯片满足这个速率要求，但是还要通过USB把数据传向主机，而系统采用的AN2131Q为USB1.1协议芯片，经过测算其达不到理论的1Mb/s，因此，两个子系统之间必须通过缓冲器进行通信。目前常用的多处理器间通信方法有三种：双口RAM；高速FIFO；总线开关加存储器。
　　其中前两者相对简单，容易控制，但是由于目前双口RAM和FIFO的速率和容量都达不到本系统的要求，因此最终选用最后一种方法，即高速RAM加总线开关的方法，由CPLD系统和DSP分时访问RAM。CPLD在START电平变低之后，地址线输出高阻，此时ADC的数据输出也是高阻，此时DSP才开始从RAM读数据，这一逻辑保证了不会发生总线冲突。
高速DSP系统与AN2131Q的通信控制
　　通过一片数据锁存器作为缓冲器，利用TMS320C5409的XF和BIO引脚和AN2131Q的两个IO口作为握手引脚；同时，DSP利用中断来管理数据传输；AN2131Q则通过轮循来管理数据传输。
系统整体调试
　　由于要采集的信号频率较高，因此，电路板的抗高频干扰问题是一个很重要的问题，经过测试，高频信号在系统中没有产生影响系统整体性能的干扰。用HP信号发生器分别产生500KHz、5MHz、10MHz、20MHz的信号进行测试，DSP子系统暂时没有对信号进行预处理而是原样不动的发给USB通信芯片(信号处理函数暂时设为空参数)。在应用程序中，上层软件利用多线程处理技术，把采集到的信号同时进行分析、显示、存储等，系统达到了令人满意的实时性。