基于FPGA的超聲成像采集平臺解決方案

應(yīng)用

超聲波掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測和醫(yī)學成像。無論是工業(yè)設(shè)備的無損檢測，還是醫(yī)學領(lǐng)域的人體成像，都需要精準控制多個換能器陣列的超聲信號發(fā)射與采集。同時，采集到的信號需經(jīng)過實時處理，轉(zhuǎn)換為圖像并反饋至上位機。此外，超聲數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)需具備高吞吐量以確保穩(wěn)定高效的運行。

挑戰(zhàn)

在超聲成像采集平臺的開發(fā)過程中，客戶面臨諸多挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代超聲系統(tǒng)通常采用大量通道，采樣率在 40 MS/s ~ 200 MS/s 之間，數(shù)據(jù)量可達 TB 級。然而，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)接口受限于帶寬，難以滿足高幀率采集需求。為了避免數(shù)據(jù)丟失和延遲對成像質(zhì)量的影響，系統(tǒng)必須具備低延遲、高帶寬的數(shù)據(jù)鏈路。超聲成像還要求多通道同步傳輸，但傳統(tǒng)設(shè)備難以提供高精度觸發(fā)信號，難以匹配換能器陣列的工作周期。此外，電容式微機械超聲換能器采集的原始數(shù)據(jù)量龐大，且需要對采集到的信號進行濾波、波束形成等預處理。

解決方案

簡儀科技針對超聲成像采集平臺開發(fā)中的挑戰(zhàn)，提供了基于PXIe系統(tǒng)和FPGA的綜合解決方案。PXIe系統(tǒng)采用PCIe作為底層數(shù)據(jù)總線，支持多通道并行傳輸，數(shù)據(jù)速率可達到PCIe Gen2(8 GT/s)或Gen3(16 GT/s)。結(jié)合FPGA與PXIe，能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和搬移，利用XDMA(Xilinx DMA)技術(shù)直接將數(shù)據(jù)傳輸至主機內(nèi)存，從而提高系統(tǒng)吞吐量。PXIe機箱支持多張高速ADC/DAC采集模塊同時工作，可以同時傳輸并處理大量通道的電容式微機械超聲換能器數(shù)據(jù)，避免了因帶寬限制而導致的信號丟失或采樣率下降。此外，PXIe還具備高精度的同步時鐘功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多個通道的納秒級同步，確保數(shù)據(jù)采集的精確性和一致性。

圖一 實驗測試現(xiàn)場

圖二 上位機界面及波形顯示

使用的簡儀產(chǎn)品

硬件

PXIe-2315G3：高數(shù)據(jù)傳輸帶寬5槽Gen3 PXIe機箱

PXIe-2722G3：高數(shù)據(jù)傳輸帶寬18插槽Gen3 PXIe機箱

PXIe-3127e：配備第11代Intel Core i7-11850HE處理器的3U尺寸PXle控制器

為什么選擇簡儀

成熟的產(chǎn)品：簡儀產(chǎn)品經(jīng)過長期市場驗證，具有可靠的性能和穩(wěn)定性。

POC驗證服務(wù)：簡儀提供售前的POC驗證服務(wù)，幫助客戶驗證產(chǎn)品性能和適用性。

高精度：簡儀的產(chǎn)品滿足了客戶對測試精度和可靠性的高要求。

供貨速度：簡儀憑借高效的供應(yīng)鏈體系，能夠快速交付產(chǎn)品，充分滿足項目進度要求。

成本效益：相比進口品牌，簡儀不僅提供更優(yōu)性能的解決方案，更在價格上具有明顯優(yōu)勢，幫助客戶降低整體制造成本。

技術(shù)支持和快速響應(yīng)能力：簡儀提供優(yōu)質(zhì)的本地化技術(shù)支持，快速響應(yīng)客戶需求，幫助客戶解決問題，確保了測試任務(wù)的順利進行。

控件開發(fā)：有著豐富的自研控件資源，并配有完善的使用手冊，有效降低了使用開發(fā)成本。

插槽數(shù)量：針對不同需求，簡儀提供多種插槽數(shù)量的機箱選擇，充分滿足多樣化應(yīng)用需求。

通過使用簡儀的產(chǎn)品，客戶成功完成了FPGA與主機之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，并搭建了高性能的超聲成像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅滿足了高采樣率、多通道同步傳輸以及海量數(shù)據(jù)處理的需求，還為后續(xù)的實時成像與波束合成提供了堅實的硬件基礎(chǔ)，極大地提升了超聲成像系統(tǒng)的整體性能和可靠性。