【作 者】刘文杰，沈国峰*，吴昊，陈亚珠

1 上海交通大学生物医学工程学院生物医学仪器研究所，上海，200030

2 上海交通大学Med-X研究院，上海，200030

HIFU(High intensity focus ultrasound)是众多肿瘤物理治疗手段中一项具有发展潜力的技术[1]。相控型HIFU是指通过改变不同压电晶体阵元的驱动信号的相位，使超声波到达指定位置时相位相同，从而实现在非自然焦点聚焦的技术。相对于探头机械移动型HIFU，相控型HIFU可以实现焦点的快速移动，多焦点聚焦，指定声窗聚焦等功能[2]，更加灵活、高效，是当前HIFU发展的重要方向。

生成相控信号，有多种方式：方式一，基于传统模拟电路的阻容移相方式，缺点是相位控制精度低，且电路设计过于复杂[3]；方式二，使用高主频的CPU的方式，比如1 GHz以上主频的通用处理器，可实现很高分辨率的相位信号输出，但通用CPU由于I/O管脚数量的限制，无法输出较多的路数；方式三，采用数字延时芯片加多路选择器。这种方式成本较低，但当路数较多时，电路板布线等过于复杂，因此不具有实用价值[4]；方式四，在相控雷达中采用的铁氧体移相方式，比上述几种方案有着最高的相位分辨率，可以达到pS级别，但应用成本较高，因此也不适用于相控型高强度聚焦超声。

1 基于FPGA的相控信号发生器

在相控信号发生器研制的过程中，针对上述几种方案的不足，本文提出了基于FPGA的相控信号发生器实现方式。该种方式使用FPGA输出多路指定相位的数字信号，然后经过谐振功率放大器进行放大，将小电压的方波信号转换成相应相位的大电压正弦波信号，进而驱动压电晶体阵元输出超声信号。该系统框架如图1所示。

图1 换能器阵元驱动信号框图Fig.1 Block diagram of transducer’s drive signals

FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列，是可反复编程的逻辑器件。FPGA是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

在医疗设备领域，常使用FPGA来实现特定的逻辑电路。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进行编程。一般用户通过VHDL语言编程，修改电路逻辑单元的配置，来实现定制化电路。用户仅需修改配置文件，并通过EDA工具下载到FPGA中，便可修改已经生成的电路。

2 基本原理

Firmware一般指嵌入式硬件里面的软件，对FPGA来说即是PROM中的配置程序。通过XILINX公司的ISE开发环境，可以进行FPGA Firmware的相应开发。作为XILINX FPGA的设计工具，ISE可以完成FPGA开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成BIT文件、配置以及在线调试等。开发流程如图2所示。

图2 FPGA开发流程简图Fig.2 Block diagram of FPGA development flow

2.1 硬件部分

相控信号发生器的硬件部分，由核心板和接口板两部分组成。核心板电路在FPGA最小系统上拓展而成，包括PROM配置程序模块、JTAG下载调试模块、电源管理模块、时钟电路以及复位电路模块。各模块之间的关系如图3所示。

图3 FPGA外围电路框图Fig.3 Block diagram of FPGA peripherals

接口板电路包括光耦隔离电路、电压转换电路以及驱动电路。光耦隔离电路完成了电-光-电的转换，从而起输入、输出间的隔离作用。光耦合器中电信号的传输是单向传输，因此具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。电压转换电路是将FPGA输出的LVCOMS2.5V电平标准的信号，转换成驱动后级工作的TTL5V电平标准的信号，同时起到提高输出电流、增大驱动能力的作用。接口板电路框图如图4所示。

图4 接口板电路示意图Fig.4 Sketch map of interface board

2.2 固件部分

通过数字可编程技术，在FPGA内部生成指定的逻辑以及时序电路，使FPGA能够根据输入的控制信号，输出指定相位的方波信号。本相控信号发生器的固件部分，通过VHDL语言编程实现，具体包括移相模块、地址译码模块和多路选择模块等。固件里各模块间的关系如图5所示。

图5 FPGA固件框图Fig.5 Block diagram of FPGA firmware

2.2.1 移相模块

移相模块输出多路不同相位的方波信号。从FPGA外部进来的低频时钟信号，首先要经过DCM进行处理。DCM即数字时钟管理单元（Digital Clock Management），主要完成时钟的同步、移相、分频、倍频和去抖动等。DCM与全局时钟有着密不可分的联系，使用全局缓冲资源，可以达到最小的延迟和抖动。本相控信号发生器中，DCM使用Xilinx ISE软件中的IP Core Generator直接生成，主要完成了时钟信号整形以及倍频工作。

2.2.2 地址译码模块

地址译码模块是一个8位输入（256路）转256位输出的译码模块。该模块的VHDL实现代码如下：

2.2.3 多路选择模块

多选择模块是从不同相位的方波信号中，选取其中一路，作为输出。多路选择器的控制信号，有清零信号、使能信号以及装载信号。该模块的VHDL代码实现如下：

3 实验结果

在该相控信号发生器硬件电路设计加工完成后，首先进行了子模块的功能测试。子模块测试包括电源模块供电测试，时钟电路模块测试，复位模块电平以及时序测试。在子模块功能测试后，按照图2中的调试流程，对固件代码进行了验证以及改进，最终完成硬件测试。

测试中所用示波器型号为Agilent，200 MHz带宽，2Gsa/s采样率。经过测量，得到输出相位信号频率为1.361 MHz，与预期输出频率1.360 MHz相比，频率误差在0.1%以内；峰-峰值5.03 V，并且符合TTL电平标准，占空比为49.5%，符合性能指标；经过缓冲器后的波形上升沿，上升时间为13.0ns。输出信号的波形如图6所示，相位的分辨率为1.40625o。在输出为1.36 MHz时，相位最小时延为2.9ns。在该示波器下，观测并统计得到的相位抖动为1ns。

图6 输出波形Fig.6 Output waveform

图7 信号相位差示例Fig.7 Example of phased-signals

波形延时逻辑分析如图7所示。为了便于观看，图片中设定了每个通道之间相位差为26个相位。

4 结论

本文研制的相控信号发生器，利用FPGA内部复杂的逻辑资源，完成了特定相位信号输出的功能，实现了256路输出，以及每路输出1.406o的相位分辨率。同时，本相控信号发生器具有硬件电路简单，易于实现，可靠性较高，维护方便的优点。对于进一步的相控信号发生器研制，有几处值得关注：加入闭环控制、供电检测、FPGA温度实时监测和输出信号反馈等。

[1]Crouzet S,Murat FJ,Gilles Pasticier,et al.High intensity focused ultrasound (HIFU)for prostate cancer: Current clinical status,outcomes and future perspectives [J].International Journal of Hyperthermia,2010,26(8): 796-803.

[2]Xiang Ji,Shen G F,Bai Jingfeng,et al.Multi-element ultrasound phased array applicator for the ablation of deep-seated tissue[J].Journal of Shanghai Jiaotong University (Science),2011,16(1): 55-60.

[3]Ma,Y.,Symonds-Tayler,R.et al.A new clinical HIFU system(Teleson II)[A].AIP Conference Proceedings[C],2007,911: 87-91.

[4]Li Jian,Zhan Xianglin,Jin Shijiu,et al.Research on ultrasonic phased array system for automatic defect detection of pipeline girth welds[A].Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA)[C],2010,5454-5459.