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基于FPGA的P-HIFU相控信号发生器研制

作　者: 刘文杰
导　师: 陈亚珠；沈国峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 生物医学工程
关键词: HIFU 相控 FPGA
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

相控信号发生器是P-HIFU系统的核心部件之一。在P-HIFU系统中,相控信号发生器在输入指令的控制下,输出多路具有指定相位的方波信号。这些方波信号经过多谐振功率放大器放大之后,驱动超声压电晶体球形阵列,在指定焦点位置聚焦。本文在研制P-HIFU相控信号发生器的过程中,根据理论计算得出的相位精度对加热焦点参数的影响,对相位信号发生器的需求进行了分析,确定了其性能指标。然后通过对国内外相位信号发生器技术研究现状的分析,讨论并确定了控制接口方案,以及基于FPGA技术的相位信号生成方案。本文设计了相位信号发生器中FPGA固件的架构体系,并使用VHDL代码或现有IP核实现了固件的编码。本文在FPGA固件中加入了嵌入式的MCU,并编写了相应的软件代码,实现了先下载存储相位数据,后顺序输出相位信号的运行模式,该模式实现了加热焦点的快速移动。本文在FPGA的固件中,加入了PCI的IP核,用户可以将相位信号发生器作为PCI插卡,插入到工控机的PCI插槽中使用,实现了实时的加热焦点快速移动的功能。本文完成了相位信号发生器硬件系统的设计,内容包括关键芯片选型、电路原理图设计、以及PCB的制作。本文通过增加硬件监测电路,提高了相位信号发生器的安全性。同时,本文通过硬件电路设计,提高了相位信号发生器的集成度及易用性。最后,本文对于影响相位输出信号精度的关键问题,进行分析并给出了解决方案。最后,通过软硬件联调以及实验检测,验证了本文研制的相位信号发生器实现了预定的性能指标及功能要求,同时具有安全性高、集成度高、易用性高等优点。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 相控信号发生器在P-HIFU 中的作用  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 需求分析以及性能指标确认  12-14
    1.3.1 输出相位信号  12-13
    1.3.2 输入控制接口  13-14
    1.3.3 系统功能  14
  1.4 本文的主要研究内容和章节安排  14-16
    1.4.1 主要研究内容  14-15
    1.4.2 章节安排  15-16
第二章相控精度分析及技术方案选择  16-27
  2.1 相控精度分析  16-19
    2.1.1 声场模型  16-17
    2.1.2 相位计算  17
    2.1.3 相位精度对焦点影响  17-19
  2.2 技术方案选择  19-26
    2.2.1 接口方案选择  19-22
    2.2.2 相控信号生成方案选择  22-25
    2.2.3 FPGA 芯片选型  25-26
  2.3 本章小结  26-27
第三章 FPGA 固件设计  27-48
  3.1 固件架构  27-28
  3.2 I/O 卡控制模块  28-30
    3.2.1 模块构成  28-30
    3.2.2 接口信号定义  30
    3.2.3 功能仿真  30
  3.3 串口控制模块  30-35
    3.3.1 模块构成  31-35
    3.3.2 接口信号定义  35
  3.4 PCI 控制模块  35-40
    3.4.1 接口信号定义  35-36
    3.4.2 模块构成  36
    3.4.3 PCI 接口信号  36-38
    3.4.4 PCI 时序  38-39
    3.4.5 PCI 编解码子模块  39
    3.4.6 PCI 本地端总线锁存模块  39-40
  3.5 控制信号仲裁模块  40-41
  3.6 相控信号生成模块  41-42
    3.6.1 接口信号定义  41
    3.6.2 模块构成  41-42
  3.7 嵌入式MCU 及其软件  42-48
    3.7.1 PicoBlaze 架构  42-44
    3.7.2 指令集及汇编指令格式  44-45
    3.7.3 软件流程  45-48
第四章硬件电路设计  48-61
  4.1 FPGA 电路  48-52
    4.1.1 时钟电路  48-49
    4.1.2 复位电路  49
    4.1.3 下载及调试电路  49-50
    4.1.4 供电电路  50-52
  4.2 输入输出电路  52-54
    4.2.1 输入隔离电路  52-53
    4.2.2 输出驱动电路  53-54
  4.3 PCI 插卡  54-56
    4.3.1 电气特性  54-55
    4.3.2 机械特性  55-56
  4.4 安全性设计  56-57
    4.4.1 硬件检测电路  56
    4.4.2 电源反接保护电路  56-57
  4.5 易用性设计  57-59
    4.5.1 USB 转串口  57
    4.5.2 JTAG  57-58
    4.5.3 指示灯  58
    4.5.4 控制管脚引出  58-59
  4.6 PCB 设计  59-61
    4.6.1 叠层设置  59
    4.6.2 传输线匹配  59-61
第五章关键问题解决及实验结果  61-72
  5.1 相位信号发生器的操作  61-65
    5.1.1 I/O 卡控制方式  61-62
    5.1.2 串口控制方式  62-64
    5.1.3 PCI 控制方式  64-65
  5.2 工控机端驱动程序及其接口  65-66
    5.2.1 PCI 驱动编写  65-66
    5.2.2 PCI 驱动调用接口  66
  5.3 相控信号的精度  66-69
    5.3.1 FPGA 内部因素  66-67
    5.3.2 FPGA 外部因素  67-69
  5.4 相控信号波形的质量  69-70
    5.4.1 串扰  69-70
    5.4.2 阻抗匹配  70
    5.4.3 电源耦合  70
  5.5 实验结果  70-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 主要工作与创新点  72-73
  6.2 后续研究工作  73-74
参考文献  74-78
致谢  78-80
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  80-83
附件  83

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