一种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，具体步骤如下：步骤1：用ZYNQ系列FPGA自带的Vivado HLS软件设计超声信号的发射控制以及信号接收的程序，控制超声收发芯片，获取超声成像所需的数据。步骤2：通过Vivado HLS软件，利用ZYNQ内PL部分对接收到的超声回波信号进行处理。步骤3：通过SDK软件，利用ZYNQ内PS部分对处理后的超声回波图像进行成优化并传输给后端。本方法在ZYNQ内实现了超声成像的全过程，有效地提高了控制芯片的集成度，缩小了超声成像设备的体积；同时通过使用Vivado HLS和SDK软件，有效地提高了研发效率，降低了开发的难度，增强了方法的可移植性，很适合应用于便携、无线超声成像设备等小型化产品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于医疗超声成像领域，设及一种基于高集成度控制忍片的超声成像方 法。
技术介绍
超声成像技术具有无福射，成像清晰直观等优点，在许多医疗领域发挥着重要作 用。其主要工作方式是通过FPGA控制超声收发忍片发射超声信号，并对返回的信号进行接 收和预处理。利用ARM对预处理的数据进行深度处理并成像与优化。 传统的超声设备体积庞大，十分笨重。运是因为大部分设备将FPGA与ARM忍片分 立，FPGA部分采用Altera或者Xilinx公司的忍片，ARM部分配有GPUW提高整体运行速度。运 样的设备由于忍片过多，硬件设计时难度较大，设备的体积和功耗也很大。也有一些设备选 择不使用ARM忍片，而是在FPGA内部用程序编写出ARM软核，运样的设备虽然体积和功耗有 所改善，但是开发难度太大，而且对FPGA的性能要求很高，超声图像难W实时显示，设备的 性能与成本有所提高。 ZYNQ是Xilinx公司推出的一款集成了ARM-Co;rtex-A9双核（Processing System, PS)W及最多可达500多万个逻辑口的可编程逻辑单元(Programmable Logic,PL)的高端忍 片，能够更灵活地用于各种目标应用。与其他独立Codex-A9与Xilinx FPGA在单板上相比， ZYNQ具有如下优点:①设计成本降低;②设计整体功耗降低;③设计体积减少;④设计风险 降低;⑤具有更灵活的设计。Xilinx公司在设计ZYNQ时不仅解决了不同工艺特征的处理器 和FPGA融合在同一个忍片上并保证良品率的问题，还通过AXI总线实现了高效的片内高性 能处理器与FPGA之间互联通路，W保证PS与化部分通信速度和质量的可靠。AXI总线具有如 下特点：总线的地址/控制和数据通道是分离的；支持不对齐的数据传输；同时在突发传输 中，只需要首地址；同时具有分离读/写数据通道;支持先主传输访问和乱序访问；更容易进 行时序收敛。 此外，Xilinx公司还提供了最新集成设计环境Vivado化S，它W基于知识产权 (IP)核的设计方法为主，允许设计者对不同的设计方案和策略进行尝试，从中选择最佳的 解决方案的方法，提高了FPGA的设计效率。此外，Vivado化S提供的WIP核为中屯、的开发环 境，攻克了系统级集成和实现的技术难关。性能方面，与Xilinx公司前一代的设计平台ISE 相比，Vivado的提升分为W下几个方面:实现速度提升4倍，器件利用率提升了 20%，最多3 个速度级性能优势，功耗降低35 %，增量编译速度提高一倍，IP集成速度提高4倍，R化仿真 速度提高3倍W及C/C++/SystemC至CTL的转换速度提高4倍。通过运些性能的提升，使得 Vivado化S比ISE更适合对较为复杂的FPGA的开发。软件运行速度的提高缩短了开发流程， 众所周知，由于ISE、QuatusII等软件编译、实现等过程运行速度欠佳，使得FPGA的开发周期 相对ARM、DSP来说十分漫长。而器件利用率的提高更为重要，当FPGA用于超声成像时，中间 经历的波束形成、动态滤波、坐标变换等过程，使得FPGA内部的逻辑资源十分紧缺，运样大 大增加了了软件优化算法的难度和硬件电路的成本。Vivado化S的出现，减轻了软件编程 的难度，缩短了硬件开发的时间，其意义是十分重大的。 对于软硬件协同开发而言，可W使用Vivado HLS来构建硬件系统，但是想要该硬 件能够更具需求进行工作，则需对其进行软件的开发。Xi 1 inx使用SDK ( Sof tware Development Kit)作为ARM开发工具，并在上面集成了一些XiIinx全可编程器件开发流程 中需要用到的工具。它是一个基于Eclipse的图形化嵌入式软件开发环境，它支持包括最新 的7系列FPGA和巧nq-7000AP SoC器件在内的所有Xilinx FPGA架构。此外，Xilinx SDK还包 含标准Eclipse环境下构建，集成编辑器、编译器、生成工具、flash管理和JTAG/GDB调试，可 定制库和器件驱动程序，提供现成的裸机和Linux开发支持，提供商用RTOS支持W及支持源 代码版本管理等诸多优良特性。基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法很适合应用于便携、无 线超声成像设备等小型化产品。
技术实现思路
为了解决超声成像设备体积庞大笨重、硬件电路复杂、设计难度大等问题，本专利技术 提供了一种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法。本方法在ZYNQ内实现了超声成像的全过 程，有效地提高了控制忍片的集成度，缩小了超声成像设备的体积；同时通过使用Vivado HLS和SDK软件，有效地提高了研发效率，降低了开发的难度，增强了方法的可移植性，很适 合应用于便携、无线超声成像设备等小型化产品。 本专利技术的目的是通过W下技术方案实现的： -种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，采用ZYNQ系列FPGA作为控制忍片，ZYNQ 中的化部分具有FPGA的逻辑功能，可W实现对超声信号收发和预处理，包括简单的控制信 号收发、波束形成、帖相关、伽马变换等;ZYNQ的PS部分具有ARM的嵌入式功能，可W实现对 超声信号预处理后数据的成像和优化。ZYNQ内部PS部分与化部分是通过AXI4总线进行互联 的，如图1所示，共分为=个步骤，具体步骤如下：步骤1:用ZYNQ系列FPGA自带的Vivado化S软件设计超声信号的发射控制W及信 号接收的程序，控制超声收发忍片，获取超声成像所需的数据。步骤2:通过Vivado化S软件，利用ZYNQ内化部分对接收到的超声回波信号进行处 理，包括波束形成、动态滤波、帖相关、伽马变换等。步骤3:通过SDK软件，利用ZYNQ内PS部分对处理后的超声回波图像进行成优化并 传输给后端。 本专利技术与现有技术相比具有如下优点： 1)本专利技术采用的ZYNQ系列FPGA是全球首款将完整的ARM处理器片上系统SoC和 28nm低功耗可编程逻辑器件集成在一起的忍片。ZYNQ系列FPGA资源丰富，管脚众多，功耗较 低，集成度高； 3)本专利技术直接把在Vivado HLS软件中实现的超声成像代码转换成能够加载到 FPGA的寄存器传输级RTL，整个过程不需要开发人员了解任何关于CTL的知识。降低了超声 成像的开发难度，缩短了开发时间； 4)本专利技术最终将所设及到的ZYNQ的程序都通过Vivado化S封装成IP核，方便移植 和调用。本专利技术通过Vivado HLS与SDK的配合，实现了软硬件协同设计，最大程度地发挥了 异构多核处理器的优势，拓宽了系统的优化空间，具有更好的灵活性； 5)本专利技术设及到的超声成像采用8通道128阵元，算法可移植扩展为16通道或32通 道W及更多通道。【附图说明】 图1是本专利技术实现的总流程图； 图2是本专利技术中数字波束形成实现框图；图3是本专利技术中动态范围变换实现框图； 图4是本专利技术中帖相关过程实现框图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本专利技术的保护范围中。 ZYNQ系列FPGA主要用在W下S个方面:超声信号发射，超声回波信号处理W及超 声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：步骤1：用ZYNQ系列FPGA自带的Vivado HLS软件设计超声信号的发射控制以及信号接收的程序，控制超声收发芯片，获取超声成像所需的数据；步骤2：通过Vivado HLS软件，利用ZYNQ内PL部分对接收到的超声回波信号进行处理，将处理后的超声回波信号封装成IP核；步骤3：通过SDK软件，利用ZYNQ内PS部分对处理后的超声回波图像进行成优化并传输给后端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈毅，崔一鸣，章欣，郭威，张淼，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23