超声医学即运用超声波的物理特性进行确诊和医治的一门印象学科，其临床运用规模广泛，现在已成为现代临床医学中不行短少的确诊办法。
本体系是一个便携式软组织超声确诊仪的一部分，首要功用是高频超声信号收集。其作业机制，是在前端低频脉冲(20Hz~10KHz)的触发下，对由超声换能器发生的高频超声信号(1MHz~20MHz)进行收集，预处理，然后通过USB总线传输给PC机，由软件进行剖析、处理。
在本规划计划中，高速CPLD芯片作为数据收集体系的中心部分，比较传统的MCU+ADC办法，CPLD是用硬件信号而不是软件编程来操控ADC，然后在速度上有很大的优势。而现在强壮的VHDL编程言语也使得CPLD能很简单地完结料想的功用逻辑。数据处理部分，选用数据处理功用强壮、处理速度高的DSP芯片作为CPU。而在与上位机通讯方面，选用支撑即插即用且本钱也相对较低的USB接口。全体体系方面，各个子体系之间的数据传输和同步问题是技能难点。在通过重复比较和测验之后，采纳高速存储器作为数据缓冲区的计划。
体系各组成模块
包含三个子体系：CPLD子体系，DSP子体系和USB子体系。其间，CPLD+ADC完结数据收集，DSP则担任数据处理，两者之间通过一片高速RAM来交流数据；USB芯片(AN2131Q)担任把数据通过USB线上传给主机，它和DSP之间通过一片锁存器进行通讯。
数据收集子体系(CPLD子体系)
该子体系首要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所组成。
因为要收集的超声信号最高频率为20M，依据Nyquist规律，采样频率应该在40MHz以上，为了进步精度，体系选用了ADI公司的AD9283芯片。该芯片最高作业频率为100MHz，通过测验，可很好地满意体系带宽要求。
以往的便携式数据收集体系中，下位机部分ADC-RAM模块往往选用MCU作为CPU来操控，因而，收集频率直接遭到MCU速度的约束，而且和RAM存储器的同步也成为问题。通过比较，本体系选用Altera公司的CPLD芯片来操控ADC和RAM，然后很好地处理了时序精度和同步的问题。
CPLD作为操控芯片，完结的功用逻辑为：
● 接到DSP触发信号(START)之后，完结对ADC的操控，宣布一个Start信号，ADC开端采样作业；
● 与ADC操控信号同步供给RAM地址计数器(A0~A16)和写信号(/WE)，使得每次ADC的成果直接存入RAM而且主动添加地址；
● 当地址计数器到达最大的时分,宣布中止信号(RAM_FULL)，提示DSP体系RAM已满； CPLD的功用逻辑用VHDL言语完结，其编译、仿真和归纳选用Altera官方主页供给的MAXPLUXII
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数据处理子体系(DSP子体系)
因为体系在后期晋级中，要求对下位机部分的数据进行较为杂乱的预处理，一起体系在实时性方面要求较高。因而选用TI公司的TMS320C5409作为数据处理子体系的CPU。
DSP子体系的首要作业流程为：
1) 接到Trigger(由前端换能模块宣布)中止(INT0)触发后，拉高START信号告诉信号收集模块开端作业,然后进入等候；
2) 接到RAM_FULL中止(INT1)之后，知道RAM现已写满，首先将START信号拉低中止CPLD和ADC。然后开端逐一读RAM中的数据，依据体系要求做相应处理，之后凭借锁存器发给AN2131Q；
3) 在本体系中，DSP软件部分的几个函数体包含：主循环；int0中止(前端触发)；int1中止(RAM已满)。
通讯接口子体系(USB子体系)
该子体系完结的功用，便是通过锁存器接纳DSP发过来的数据，然后通过本身的USB操控器嵌入式体系是核算机技能、通讯技能、半导体技能、微电子技能、语音图画数据传输技能，乃至传感器等先进技能和详细运用目标相结合后的更新换代产品，反映今世最新技能的先进水平。嵌入式体系是当今十分抢手的研讨范畴，在PC商场已趋于稳定的今日，嵌入式体系商场的开展速度却正在加速。因为嵌入式体系所依托的软硬件技能得到了快速开展，因而嵌入式体系本身取得了快速开展。依据美国嵌入式体系专业杂志RTC报导，在21世纪初的10年中，全球嵌入式体系商场需求量具有比PC商场大10～100倍的商机。有组织估量，全世界嵌入式体系产品潜在的商场将超越1万亿美元。跟着技能的开展，业界对嵌入式体系的界说也越来越明晰。它是微处理器、大规模集成电路、软件技能和各种详细的职业运用技能相结合的成果，其间各种软件技能占了嵌入式体系80%的作业量。嵌入式体系不同于一般PC 机上的运用体系，即使是针对不同的详细运用而规划的嵌入式体系之间的不同也很大。嵌入式体系一般功用单一、简略，且在兼容性方面要求不高，可是在巨细、本钱方面约束较多。能够说，嵌入式体系是不行独占、需求不断创新的技能。
嵌入式体系前史及开展趋势
事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就现已存在了。在通讯方面，嵌入式体系在20世纪60年代就用于对电子机械电话交流的操控，其时被称为“存储式程序操控体系”（Stored Program Control）。
嵌入式核算机的真实开展是在微处理器面世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和操控器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel 4004，这今后各厂家连续推出了许多8位、16位的微处理器，包含Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为中心所构成的体系广泛地运用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等范畴。微处理器的广泛运用构成了一个宽广的嵌入式运用商场，核算机厂家开端许多地以插件办法向用户供给OEM产品，再由用户依据自己的需求挑选一套合适的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，然后构成专用的嵌入式核算机体系，并将其嵌入到自己的体系设备中。
为灵敏兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。盛行的单板核算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后来人们能够不用从挑选芯片开端来规划一台专用的嵌入式核算机，而是只需挑选各功用模块，就能够组成一台专用核算机体系。用户和开发者都期望从不同的厂家选购最合适的OEM产品，刺进外购或克己的机箱中就能构成新的体系，因而期望插件彼此兼容，然后导致了工业操控微机体系总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog规划的简略STD总线广泛运用于小型嵌入式体系。
20世纪80年代能够说是各种总线层出不穷、群雄并起的年代。跟着微电子工艺水平的进步，集成电路制作商开端把嵌入式运用中所需求的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转化、串行接口以及RAM、ROM等部件悉数集成到一个VLSI中，然后制作出面向I/O规划的微操控器，即俗称的单片机，成为嵌入式核算机体系异军突起的一支新秀。这今后开展的DSP产品则进一步提升了嵌入式核算机体系的技能水平，并敏捷进入到消费电子、医疗仪器、智能操控、通讯电子、仪器仪表、交通运输等各个范畴。
20世纪90年代，在散布操控、柔性制作、数字化通讯和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式体系进一步加速开展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗开展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引导着微操控器向32位高速智能化开展。在运用方面，开展也较为敏捷。特别是掌上电脑，1997年在美国商场上掌上电脑不过四五个品牌，而1998年末，林林总总的掌上电脑如漫山遍野般纷繁出现出来。此外，Nokia推出了智能电话，西门子推出了机顶盒，Wyse推出了智能终端，NS推出了WebPAD。21世纪无疑是一个网络的年代，将嵌入式体系运用到各类网络中也必定是嵌入式体系开展的重要方向。嵌入式体系在各个范畴运用的开展潜力巨大，其在医疗仪器范畴的运用也越来越广泛。
嵌入式体系的界说及分类
嵌入式体系是以运用为中心，以核算机技能为根底，而且软硬件可裁剪，适用于运用体系对功用、牢靠性、本钱、体积、功耗有严格要求的专用核算机体系。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作体系以及用户运用程序等部分组成（见图１），用于完结对其他设备的操控、监督或办理等功用。
嵌入式体系一般指非PC体系，它包含硬件和软件两部分。硬件包含处理器／微处理器、存储器及外设器材和I／O端口、图形操控器等。软件部分包含操作体系软件(OS)和运用程序编程。有时规划人员把这两种软件组合在一起。运用程序操控着体系的运作和行为；而操作体系操控着运用程序编程与硬件的交互效果。
嵌入式体系一般可按图２分类。嵌入式产品现已在航空航天、交通、电子、医疗仪器、通讯、工控、金融、家电等职业得到广泛运用。
嵌入式体系的特色
嵌入式体系的中心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具有以下特色：
(1)对实时多使命有很强的支撑才干，能完结多使命而且有较短的中止呼应时刻，然后使内部的代码和实时内核的履行时刻削减到最低极限；
(2)具有功用很强的存储区维护功用。这是因为嵌入式体系的软件结构已模块化，而为了防止在软件模块之间出现过错的穿插效果，需求规划强壮的存储区维护功用，一起也有利于软件确诊；
(3)可扩展的处理器结构，以便最敏捷地开宣布满意运用的最高功用的嵌入式微处理器；
(4)嵌入式微处理器有必要功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的核算和通讯设备中靠电池供电的嵌入式体系更是如此，如需求功耗只要mW乃至μW级。
嵌入式体系同通用型核算机体系比较具有六大重要特征：
(1)专用性强：嵌入式体系一般是面向特定运用的嵌入式CPU，与通用型的最大不同便是嵌入式CPU大多作业在为特定用户群规划的体系中，它一般都具有功耗低、体积小、集成度高级特色，能够把通用CPU中许多由板卡完结的使命集成在芯片内部，然后有利于嵌入式体系规划趋于小型化，移动才干大大增强，与网络的耦合也越来越严密；
(2)常识集成度高：嵌入式体系是将先进的核算机技能、半导体技能和电子技能与各个职业的详细运用相结合后的产品。这一点就决议了它必定是一个技能密布、资金密布、高度涣散、不断创新的常识集成体系；
(3)体系内核小：嵌入式体系的硬件和软件都有必要高效率地规划，因地制宜、去除冗余，力求在相同的硅片面积上完结更高的功用，这样才干在详细运用中对处理器的挑选更具有竞争力；
(4)体系精简：嵌入式体系和详细运用有机地结合在一起，一般没有体系软件和运用软件的显着区别。它的晋级换代也是和详细产品同步进行，因而嵌入式体系产品一旦进入商场，便具有较长的生命周期；
(5)高实时性和牢靠性：为了进步履行速度和体系牢靠性，嵌入式体系中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中；
(6)体系开发需求专门的开发东西和环境：嵌入式体系本身不具有自主开发才干，规划完结今后用户一般不能直接对其间的程序功用进行修正，因而有必要有一套开发东西和环境才干进行开发。
嵌入式体系在医疗仪器中的运用
进入2008年，越来越多的利好音讯出现在医疗仪器设备范畴。近期，德国、澳大利亚都别离清晰表明要在儿童医疗和全民医疗范畴加大投入。而我国和墨西哥这样的开展中人口大国也将在2008年持续其备受世人注目的医疗变革。这些政府等级的投入将添加全社会对医疗仪器设备的需求。跟着生活水平的不断进步，人们关于本身健康的重视也提升到一个史无前例的高度。今日，越来越多的高科技手法开端运用到医疗仪器的规划中。心电图、脑电图等生理参数检测设备，各类型的监护仪器、超声波、X射线成影设备、核磁共振仪器以及林林总总的物理医治仪都开端在各地医院广泛运用。长途医疗、HIS、患者呼叫中心、数字化医院等先进理念的出现和运用，使医院的办理比以往任何时分都愈加完善和高效，一起患者享遭到愈加便利便利和人性化的服务。
在技能范畴，医疗仪器设备则开端出现向便携性和网络化开展的趋势。能够随身带着的血压计、血糖仪，能够在家庭或小型社康医院中运用的呼吸机、心电监护仪必定会有越来越大的商场需求。而网络化的进一步遍及也正在进入医疗仪器设备范畴，通过有线或无线技能，医师能够长途拜访患者的材料；数字化网络化的医疗检测设备使患者不用再带着许多的检测材料奔走在医院的各个科室乃至是远隔千里的不同医院之间，然后节省了就医者的时刻和重复检测的费用；而网络化的医疗仪器设备和体系也使长途医疗变为实际，身在某些不发达地区的重症患者有或许通过长途医疗取得高水平医师的救治而重获重生。在我国，因为医疗资源尤其是高端优质医疗资源的缺少和地区间散布不均衡引起了广被诟病的“看病难”问题。医疗仪器设备网络化所带来的这些好处对处理该问题也有着十分实际的含义。
嵌入式体系在医疗仪器设备中的运用
因为医疗仪器设备固有的本身特色和以上说到的最新开展趋势的要求，用于医疗仪器设备的技能和体系也应该与这些特色和要求相适应。嵌入式体系运用于医疗仪器设备，契合开展趋势带来的要求和改变。
医疗仪器范畴许多医疗仪器的运用，如心脏起搏器、放射设备及剖析监护设备，都需求嵌入式体系的支撑。各种化验设备，如肌动电流描记器、离散光度化学剖析、分光光度计等，都需求运用高功用的、专用化的DSP体系来进步其精度和速度。引进嵌入式体系后，现有的各种监护仪的发往HOST。
选用Cypress公司的AN2131Q作为USB通讯芯片。AN2131Q功用框图如图3。该芯片的首要特性为：
● 改善的8051内核。功用可到达规范8051的5~10倍，与规范8051的指令彻底兼容；
● 高度集成。传统USB外设的硬件规划一般包含非易失性存储器(如EPROM、EEPROM、FLASH ROM)、微处理器、RAM、SIE(串行接口引擎)和DMA等。EZ-USB将上述多个模块集成在一个芯片中，然后削减了各芯片接口部分时序配合时的费事；
● USB 内核。AN2131Q能够替代USB外设开发者完结USB协议中规则的80%~90%的通讯作业，使得开发者不需求深化了解USB的初级协议即可顺畅地开宣布所需求的USB外设；
● Cypress公司的EZ-USB系列芯片接纳悉数USB 的吞吐量。这种规划不受端点数目、缓冲区巨细及传输速度的约束;
● 软装备。外设未通过USB接口连接到PC机之前，外设上的固件存储在PC上；一旦外设接到PC机上，PC读取设备描述符，然后将该外设的固件下载到EZ-USB的RAM中并履行，这个进程叫做再枚举。这种根据RAM的软装备办法，能够答应无限的装备和晋级。
● 易用的软件开发东西。固件可独立于驱动程序被测验。驱动程序和固件的开发与调试彼此独立，可加速开发的速度。
AN2131Q归于Cypress公司EZ-USB系列，其驱动在Cypress公司供给的例程中略加改动即可运用，简略牢靠，修改、编译东西为Microsoft的VC++6.0和98DDK，调试东西选用SOFTICE。驱动程序为上层运用程序供给了许多API接口。
数据收集子体系与处理子体系的通讯与同步
本体系有采样速率快，数据量大的特色。本体系中，8位ADC的采样频率为100MHz，采样宽度为每次20ms，那么每次采样得到数据为100MHz*20ms=2KB；Trigger信号脉冲宽度选用50ms，由此可核算出每帧数据量为2KB * 50ms * 10KHz = 1M。数据处理选用的DSP芯片满意这个速率要求，可是还要通过USB把数据传向主机，而体系选用的AN2131Q为USB1.1协议芯片，通过测算其达不到理论的1Mb/s，因而，两个子体系之间有必要通过缓冲器进行通讯。现在常用的多处理器间通讯办法有三种：双口RAM； 高速FIFO； 总线开关加存储器。
其间前两者相对简略，简单操控，可是因为现在双口RAM和FIFO的速率和容量都达不到本体系的要求，因而终究选用最终一种办法，即高速RAM加总线开关的办法，由CPLD体系和DSP分时拜访RAM。CPLD在START电平变低之后，地址线输出高阻，此刻ADC的数据输出也是高阻，此刻DSP才开端从RAM读数据，这一逻辑确保了不会发生总线抵触。
高速DSP体系与AN2131Q的通讯操控
通过一片数据锁存器作为缓冲器，运用TMS320C5409的XF和BIO引脚和AN2131Q的两个IO口作为握手引脚；一起，DSP运用中止来办理数据传输；AN2131Q则通过轮循来办理数据传输。
体系全体调试
因为要收集的信号频率较高，因而，电路板的抗高频搅扰问题是一个很重要的问题，通过测验，高频信号在体系中没有发生影响体系全体功用的搅扰。用HP信号发生器别离发生500KHz、5MHz、10MHz、20MHz的信号进行测验，DSP子体系暂时没有对信号进行预处理而是原样不动的发给USB通讯芯片(信号处理函数暂时设为空参数)。在运用程序中，上层软件运用多线程处理技能，把收集到的信号一起进行剖析、显现、存储等，体系到达了令人满意的实时性。
