《电子技术应用》
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基于PXIe的CMUT多通道超声收发板卡设计与实现
电子技术应用
吴帅琦,何常德,孙帅文,卢小星,张国军,张文栋
中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室
摘要: 为实现基于电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列探头的多通道脉冲发射、数据采集、存储、传输与分析,设计了一款基于PXIe总线的32通道的超声收发一体板卡。该板卡采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主控制器,具备发射和接收两种工作模式,通过T/R开关切换,在发射模式下,驱动CMUT阵列探头发射超声波信号,在采集模式下,接收CMUT的模拟回波信号,并由ADC转换成14位的数字信号,编帧打包经DDR3缓存,通过PXIe接口传输至PC。对系统硬件电路和FPGA逻辑设计作了阐述,并通过驱动CMUT线阵,对亚力克板进行测试。测试结果表明,该板卡的设计满足CMUT阵列探头的使用需求,而且该系统可拓展更多通道。该板卡为精细化的超声影像检测、无损检测提供了硬件支持。
中图分类号:TB51+7 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245866
中文引用格式: 吴帅琦,何常德,孙帅文,等. 基于PXIe的CMUT多通道超声收发板卡设计与实现[J]. 电子技术应用,2025,51(2):102-107.
英文引用格式: Wu Shuaiqi,He Changde,Sun Shuaiwen,et al. Design and implementation of CMUT multi-channel ultrasonic transceiver board based on PXIe[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(2):102-107.
Design and implementation of CMUT multi-channel ultrasonic transceiver board based on PXIe
Wu Shuaiqi,He Changde,Sun Shuaiwen,Lu Xiaoxing,Zhang Guojun,Zhang Wendong
State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China
Abstract: To enable multi-channel pulse transmission, data acquisition, storage, transmission, and analysis based on a capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) array, a 32-channel ultrasound transceiver board was designed based on the PXIe bus. This board utilizes a field-programmable gate array (FPGA) as the main controller and supports both transmission and reception modes. The modes are switched via a T/R switch. In transmission mode, the board drives the CMUT array to emit ultrasonic signals. In reception mode, it receives the analog echo signals from the CMUT, converts them into 14-bit digital signals via an ADC, frames and packages the data, buffers it through DDR3 memory, and transmits it to a PC via the PXIe interface. The paper elaborates on the system’s hardware circuits and FPGA logic design and verifies the design by driving a CMUT linear array to test an acrylic board. The test results demonstrate that the board meets the requirements of the CMUT array, and the system can be expanded to support more channels. This board provides hardware support for high-resolution ultrasound imaging and non-destructive testing applications.
Key words : FPGA;PXIe;CMUT;multi-channel;data acquisition;ultrasound imaging system

引言

超声作为一种经济高效的成像方式,提供了实时交互式可视化的能力[1]。超声成像技术广泛应用于医学诊断、水下探测和无损检测[2-4]等。在超声研究领域的最新发展中,多通道系统使超声成像技术更为快速且便捷,通过使用多通道系统平台,可以完全访问所有传感器阵元,从而最自由地保证新应用程序的开发[5]。

随着微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的长足发展,利用 MEMS 微加工技术制作的微电容超声换能器具有宽频带、高灵敏度、低功耗、低成本、高一致性、高密度集成等优势[6]。CMUT制作工艺、结构参数和材料不同,CMUT的性能也不同[7],医学超声成像应用于2~10 MHz 的超声换能器[8],水下超声成像应用于2 MHz 以下的超声换能器[9]。CMUT在医学超声成像领域中具有很好的成本和性能优势,利用MEMS技术能够研制满足更高分辨率、更高精度、全自动电子扫描超声 CT 成像系统的传感器。此外,CMUT在无损检测领域中逐渐崭露头角,CMUT特别适用于实现小孔径和具有大量元件的阵列,多用于距离、液位和流速测量[10-12]。

本文设计了一款基于PXIe接口和 FPGA 控制的 CMUT多通道超声收发板卡,具有成本低、高速传输、可靠性强的特点,实现了对CMUT阵列的脉冲发射、回波采集、数据打包、传输等功能,并且采用PXIE高性能模块化的设计理念,为拓展更多通道奠定了基础,在医学超声成像,无损检测等领域具有更好的应用前景。


本文详细内容请下载:

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作者信息:

吴帅琦,何常德,孙帅文,卢小星,张国军,张文栋

(中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051)


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