一種基於usb3.0的彩超射頻數位訊號採集系統的製作方法

2023-09-13 18:22:50

專利名稱：一種基於usb3.0的彩超射頻數位訊號採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及超聲射頻數據採集與傳輸技術領域，尤其涉及一種計算機與彩色都卜勒超聲醫學成像系統之間採用USB3. O (由Intel、微軟、惠普、德州儀器、NEC、ST-NXP等企業發布的新一代USB標準)數據傳輸技術進行超聲射頻數位訊號高速採集與傳輸的基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統。
背景技術：
醫用超聲診斷設備受到臨床單位的普遍歡迎，因為它具有先進的技術性能，能夠顯示人體不同深度的斷層圖像，不僅能對人體軟組織、臟器成像，而且能夠依據都卜勒效應對血流進行成像。目前，國外進口的一些高檔彩超設備，功能雖然較強，但是價格昂貴，在國內市場普及還需要很長時間。而國產的彩超診斷儀由於其系統結構，控制器性能等方面的限制，無法滿足臨床診斷和醫學研究對超聲圖像存儲、處理、傳輸等方面的要求。·經由超聲數位化前端處理後得到的彩超射頻數位訊號的帶寬能達到400Mbps 600Mbps，為將高帶寬的彩超射頻數據傳入計算機，就必須選用一種合適的計算機總線接口設計彩超射頻數位訊號採集系統。現有技術中超聲射頻數位訊號的採集和傳輸主要基於PCI接口來完成，不過基於PCI接口設計的彩超射頻數位訊號採集系統存在著以下的缺陷第一，會受限於計算機插槽數量和中斷資源，導致傳輸速度較慢；第二，不便於連接和安裝；第三，射頻數據傳輸易受機箱內電磁環境的影響。這些不可避免的缺陷的存在嚴重抑制了基於PCI總線的彩超射頻數位訊號採集系統的發展。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足而提供一種傳輸速度快、連接方便的基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統。本發明的目的通過以下技術措施實現一種基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統，其用於完成彩色都卜勒超聲醫學成像系統中超聲射頻數位訊號的採集與傳輸，該基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統包括有CPLD (Complex Programmable LogicDevice,複雜可編程邏輯器件)單元、FIFO (First Input First Output,先進先出)外部緩衝區、USB3. O接口晶片，所述FIFO外部緩衝區的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號輸出端連接，用於接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號；所述FIFO外部緩衝區的輸出端與所述USB3. O接口晶片的輸入接口連接，所述USB3. O接口晶片的輸出接口與計算機連接；
所述CPLD單元的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號輸出端連接，用於接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號；所述CPLD單元的第一邏輯控制信號輸出端與所述FIFO外部緩衝區的控制端連接，CPLD單元為FIFO外部緩衝區產生讀寫邏輯控制信號；所述CPLD單元的第二邏輯控制信號輸出端與所述USB3. O接口晶片的輸入接口連接，CPLD單元為USB3. O接口晶片的輸入接口產生邏輯控制信號。
所述USB3. O接口晶片設置有MCU (Micro Control Unit，微控制單元)模塊，所述CPLD單元的中斷信號端與所述MCU模塊連接，CPLD單元為MCU模塊產生系統控制中斷信號。所述USB3. O接口晶片的輸入接口為GPIF接口(通用可編程接口)。所述USB3. O接口晶片的輸出接口為USB-PORT (USB埠)。所述USB-PORT通過USB總線與計算機連接。所述FIFO外部緩衝區設置有第一 FIFO緩存器、第二 FIFO緩存器。所述USB3. O接口晶片的型號為CYUSB3014。所述CPLD單元為邏輯控制晶片，該邏輯控制晶片的型號為EPM7128AE。 本發明有益效果在於本發明包括有CPLD單元、FIFO外部緩衝區、USB3. O接口晶片，FIFO外部緩衝區的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號輸出端連接，用於接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號；FIF0外部緩衝區的輸出端與USB3. O接口晶片的輸入接口連接，USB3. O接口晶片的輸出接口與計算機連接；CPLD單元的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號輸出端連接，用於接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號；CPLD單元的第一邏輯控制信號輸出端與FIFO外部緩衝區的控制端連接，CPLD單元為FIFO外部緩衝區產生讀寫邏輯控制信號；CPLD單元的第二邏輯控制信號輸出端與USB3. O接口晶片的輸入接口連接，CPLD單元為USB3. O接口晶片的輸入接口產生邏輯控制信號。由於USB3. O傳輸協議最大傳輸速度可達5Gbps，所以本發明的FIFO外部緩衝區可以通過USB3. O接口晶片高速地將彩超射頻數位訊號傳輸給計算機，從而既實現了彩超射頻數位訊號的完整實時傳輸，又保證了彩超射頻數位訊號的傳輸速度，而且，本發明還具有USB接口的通用性強、連接方便、即插即用等特點。


下面利用附圖來對本發明作進一步的說明，但是附圖中的實施例不構成對本發明的任何限制。圖I是本發明的一種基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統的方框結構圖。在圖I中包括有
I——CPLD單元2——FIFO外部緩衝區
21——第一 FIFO緩存器 22——第二 FIFO緩存器
3-USB3.0 接口晶片 31-GPIF 接口
32-USB-PORT33-MCU 模塊
4-計算機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明的一種基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統，如圖I所示，其用於完成彩色都卜勒超聲醫學成像系統中超聲射頻數位訊號的採集與傳輸，更具體地說，該基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統包括有CPLD單元1、FIF0外部緩衝區2、USB3. O接口晶片3，FIFO外部緩衝區2的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號輸出端連接，使FIFO外部緩衝區2可以接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號(本文中的「彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號」簡稱為「彩超射頻數位訊號」);FIF0外部緩衝區2的輸出端與USB3. O接口晶片3的輸入接口連接，使FIFO外部緩衝區2可以將彩超射頻數位訊號輸出給USB3. O接口晶片3 ;USB3. O接口晶片3的輸出接口與計算機4連接，使USB3. O接口晶片3可以將彩超射頻數位訊號高速地輸出給計算機4。CPLD單元I的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號輸出端連接，使CPLD單元I可以接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號；其中，本發明的CPLD單元I負責綜合邏輯時序控制。CPLD單元I的第一邏輯控制信號輸出端與FIFO外部緩衝區2的控制端連接，CPLD單元I為FIFO外部緩衝區2產生讀寫邏輯控制信號；CPLD單元I的第二邏輯控制信號輸出端與USB3. O接口晶片3的輸入接口連接，CPLD單元I為USB3.0接口晶片3的輸入接口產生邏輯控制信號。USB3. O接口晶片3設置有MCU模塊33，CPLD單元I的中斷信號端與MCU模塊33連接，CPLD單元I為MCU模塊33產生系統控制中斷信號。其中，本發明的USB3. O接口芯 片3用於實現USB3. O協議並將數據無損地傳輸至計算機4。在彩超射頻數位訊號的傳輸過程中，USB3. O接口晶片3的MCU模塊33隻起到下載固件代碼和在固件中觸發GPIF接口31的作用，並不參與USB數據的傳輸，利用這種獨創性傳輸結構能夠大大提升傳輸速度，最大限度的利用了 USB帶寬。USB3. O接口晶片3的輸入接口為GPIF接口 31，該GPIF接口 31工作在Slave FIFO模式，且該GPIF接口 31具有自動傳輸特性，直接在CPLD單元I的控制下接收來自FIFO外部緩衝區2的彩超射頻數位訊號，傳輸過程不需要MCU模塊33參與控制。USB3. O接口晶片3的輸出接口為USB-P0RT32，其中，USB-P0RT32通過USB總線與計算機4連接。USB3. O接口晶片3的USB-P0RT32會自動將傳入晶片中的並行彩超射頻數位訊號進行串行化處理並打包成能夠在USB總線上傳輸的USB數據包。FIFO外部緩衝區2設置有第一 FIFO緩存器21 (FIF01)、第二 FIFO緩存器22(FIF02)，FIF0外部緩衝區2用於協調USB總線和局部總線不同的數據傳輸速率，以保證彩超射頻數位訊號的正常傳輸。在本實施例中，優選USB3. O接口晶片的型號為CYUSB3014 ；CPLD單元為邏輯控制晶片，該邏輯控制晶片的型號為EPM7128AE。當然，上述電子元器件和電路單元的型號及參數值僅供參考，在具體實施本技術方案時，可根據實際環境進行修改。本發明的工作過程
CPLD單元I根據來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號和FIFO外部緩衝區2本身的空滿標誌位將來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號，通過桌球傳輸交替輸入FIFO外部緩衝區2中，使FIFO外部緩衝區2可以通過第一 FIFO緩存器21和第二 FIFO緩存器22交替地將來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號傳輸給USB3. O接口晶片3的GPIF接口 31，然後，USB3. O接口晶片3通過USB-P0RT32將接收到的彩超射頻數位訊號傳輸給計算機4，從而將來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號無縫、高速地傳輸至計算機4。綜上所述，本發明在CPLD單元I的邏輯控制下，FIFO外部緩衝區2可以通過USB3. O接口晶片3高速地將彩超射頻數位訊號傳輸給計算機4，從而既實現了彩超射頻數位訊號的完整實時傳輸，又保證了彩超射頻數位訊號的傳輸速度，而且，本發明還具有USB接口的通用性強、連接方便、即插即用等特點。本發明適用於彩色都卜勒超聲醫學成像裝置等超聲診斷系統，將來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號完整實時地傳輸給計算機4後，可以通過計算機4自身強大的軟硬體資源對彩超射頻數位訊號進行處理，還原彩超圖像提供原始數據，從而降低了研發和生產彩色都卜勒超聲醫學成像系統的成本。最後應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護範圍的限制，儘管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技 術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和範圍。
權利要求
1.一種基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於其用於完成彩色都卜勒超聲醫學成像系統中超聲射頻數位訊號的採集與傳輸，該基於USB3. O的彩超射頻數位訊號採集系統包括有CPLD單元、FIFO外部緩衝區、USB3. O接口晶片，所述FIFO外部緩衝區的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號輸出端連接，用於接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的超聲射頻數位訊號；所述FIFO外部緩衝區的輸出端與所述USB3. O接口晶片的輸入接口連接，所述USB3. O接口晶片的輸出接口與計算機連接； 所述CPLD單元的輸入端與彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號輸出端連接，用於接收來自彩色都卜勒超聲醫學成像系統的前端控制信號；所述CPLD單元的第一邏輯控制信號輸出端與所述FIFO外部緩衝區的控制端連接，CPLD單元為FIFO外部緩衝區產生讀寫邏輯控制信號；所述CPLD單元的第二邏輯控制信號輸出端與所述USB3. O接口晶片的輸入接口連接，CPLD單元為USB3. O接口晶片的輸入接口產生邏輯控制信號。
2.根據權利要求I所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述USB3. O接口晶片設置有MCU模塊，所述CPLD單元的中斷信號端與所述MCU模塊連接，CPLD單元為MCU模塊產生系統控制中斷信號。
3.根據權利要求2所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述USB3. O接口晶片的輸入接口為GPIF接口。
4.根據權利要求3所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述USB3. O接口晶片的輸出接口為USB-PORT。
5.根據權利要求4所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述USB-PORT通過USB總線與計算機連接。
6.根據權利要求I至5任意一項所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述FIFO外部緩衝區設置有第一 FIFO緩存器、第二 FIFO緩存器。
7.根據權利要求6所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述USB3. O接口晶片的型號為CYUSB3014。
8.根據權利要求6所述的基於USB3.O的彩超射頻數位訊號採集系統，其特徵在於所述CPLD單元為邏輯控制晶片，該邏輯控制晶片的型號為EPM7128AE。
全文摘要
本發明涉及超聲射頻數據採集與傳輸技術領域，尤其涉及一種計算機與彩色都卜勒超聲醫學成像系統之間採用USB3.0數據傳輸技術進行超聲射頻數位訊號高速採集與傳輸的基於USB3.0的彩超射頻數位訊號採集系統，其包括有CPLD單元、FIFO外部緩衝區、USB3.0接口晶片，FIFO外部緩衝區的輸出端與USB3.0接口晶片的輸入接口連接。本發明在CPLD單元的邏輯控制下，FIFO外部緩衝區可以通過USB3.0接口晶片高速地將彩超射頻數位訊號傳輸給計算機，從而既實現了彩超射頻數位訊號的完整實時傳輸，又保證了彩超射頻數位訊號的傳輸速度，而且，本發明還具有USB接口的通用性強、連接方便、即插即用等特點。
文檔編號G06F19/00GK102902867SQ201110208860
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月25日 優先權日2011年7月25日
發明者武劍輝 申請人:武劍輝