CN102944301B - 基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法及系统。本发明方法采用二段式变距的均匀分段法则，利用该方法所设计的检测模块包括二段式变距均匀分段器、特征点筛选器、最大值比较器和最小值比较器。超声信号采集及显示系统包括高速AD、FPGA功能模块、基于PXI总线的工控机。本发明的检测模块，不仅继承了峰值检测器对于动态下峰值点信息的准确捕捉特性，更具有可达一个采样点的调整精度，且显示范围摆脱了整数倍抽样步距的限制，可以是任意长度。本发明基于FPGA可编程技术，在硬件不变情况下，可实现功能的修改和扩展。

Description

基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法及系统

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法及系统。 

背景技术

随着现代仪器技术的不断发展，用户越来越注重人机交互体验，而人机交互界面信息的完备和准确性也显得至关重要。目前，数字式仪器的显示功能大体上分为两种：一种是显示区域内数据全部上传显示——实现起来简单、方便，适用于大宽带、高速传输协议（如网口）；另一种是对显示区域内数据抽样显示——当用于显示大范围内的波形概况时，由于数据经过压缩后传输，能有效降低显示功能对系统带宽的占用，提高系统响应速度；当用于显示小范围内的波形细节时，由于加入插值填充，保证了波形光滑平整且不失真。因此，抽样显示法以其适用于各种带宽、多种传输协议的特性，而被广泛应用在数字式仪器仪表中。 

但是，抽样显示不可避免的造成波形细节信息的丢失。而且最终的显示效果，很大程度上取决于采取了什么方式的抽样法则。其中，一种最简单的抽样法则——也被称为均匀步距抽样，是在A/D和存储器之间加入一个“分数”采集器。即在A/D采样时，每逢第N个数据就送往存储器，其余的点统统放弃。这种抽样法则存在三个明显的缺陷。第一，抽取到波形峰值点的可能性随机，极有可能丢失峰值信息。第二，波形缩放或平移时，抽样点全部更新，操作前后的波形相差大。第三，显示范围为抽样步距的整数倍，否则需要特殊考虑末段数据。为弥补上述不足，引入峰值检测电路替代“分数采集器”。即同样以N个数据为一组依次进行检测，峰值检测电路保持其中的最大值和最小值再送往寄存器。数字式示波器正是基于峰值检测器的原理，实现了在缩放或移动操作时对峰值点的捕捉。但是，峰值检测电路的形式多样，如《峰值检测电路》（专利申请号为CN200580006970.1）、《比较器反馈峰值检测器》（专利申请号为CN200580025847.4）等，且仍要求显示最好为抽样步距的整数倍，否则对于末段数据的特殊考虑必将增加硬件电路的开销，使得结构更加复杂。另外，由于电路实现存在响应时间，因此峰值检测器的最小抽样步距有限定，这也就注定了其缩放和移动操作的调节精度不可能达到一个采样点精度。最后，采用硬件电路实现的峰值检测器改动空间有限，非得改版重制。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法，及采用本发明所述方法的超声信号数字式峰值检测模块和系统。超声信号数字式峰值检测模块，不仅继承了峰值检测器对于动态下峰值点信息的准确捕捉特性，更具有可达一个采样点的调整精度，且显示范围摆脱了整数倍抽样步距的限制，可以是任意长度。本发明基于FPGA可编程技术，在硬件不变情况下，可实现功能的修改和扩展。 

本发明解决技术问题所采取的技术方案是： 

基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1).采用二段式变距的均匀分段法则，对显示范围内的数据按照时间进行连续分割。

步骤(2).分别提取每段数据的最大值和最小值，作为特征点。 

步骤(3).根据每段数据的最大值和最小值出现的时间先后关系确定该段最大值和最小值写入到存储空间的顺序。 

步骤(4).从存储空间的起始位置依次读取数据并显示，从而实现了数字波形的任意缩放或平移操作而不失真。 

所述的二段式变距的均匀分段法则可实现用固定M个屏幕像素点来表征任意显示范围内波形，其中 M要求为2的倍数，该法则具体是： 

定义显示范围为 ，为点数，为采样频率，分两种情况：

①

显示范围内的数据不需要进过分割和峰值检测，直接输出，若有必要还可以进行插值处理后输出M个显示数据。

②  n>M

第一步，取Z = ，[ ]为取整符号，Z表示步距；

第二步，取X = ；

第三步，取Y =M-X；

经过以上三步骤之后，可以得出分段结果：前Y段以Z个数据为一组进行峰值检测，得到个特征点；后X段以(Z+1)个数据为一组进行峰值检测，得到个特征点。由于前后两段步距不一致，但各自均匀分段，故称为“二段式变距的均匀分段法则”。

相比较基于硬件电路设计和搭建的峰值检测器，以及国外一些关于数字式峰值检测器的专利，本发明提出了采用FPGA实现的基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块。该模块包括二段式变距均匀分段器、特征点筛选器、最大值比较器和最小值比较器；将配置信号输入二段式变距均匀分段器完成配置，并输出第一标识信号；将第一标识信号和采集到的数据输入到特征点筛选器，经过筛选后，输出极大值和极小值；将极大值和采集到的数据输入到最大值比较器，输出第二标识信号；将极小值和采集到的数据输入到最小值比较器，输出第三标识信号；将第一标识信号、第二标识信号和第三标识信号，输入到特征点筛选器，最终输出每个分段上的最大值峰值点数据和最小值峰值点数据，以及峰值点数据出现位置和写使能信号。 

数字式峰值检测模块应用于超声信号采集及显示系统包括高速AD、FPGA功能模块、基于PXI总线的工控机；其中的FPGA功能模块包括数字带通滤波器、数字低通滤波器、基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块、两片用于乒乓缓冲的片内双口RAM、多路自动切换器、数据交互双口RAM、PXI总线接口；将超声信号输入高速AD，经模数转换后输出数字信号到FPGA功能模块；进入到FPGA功能模块内的数字信号首先被输入到数字带通滤波器；数字式带通滤波器的输出再被输入到数字低通滤波器；数字低通滤波器的输出再被输入到基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块，按照二段式变距均匀分段器的分段结果，由特征点筛选器逐一筛选出每个分段上的最大值和最小值，最终输出的最大值峰值点数据和最小值峰值点数据、峰值点数据出现位置和写使能信号，被连接到两片用于乒乓缓冲的片内双口RAM；乒乓缓冲的片内双口RAM可被多路自动切换器读取；读取到的数据将被输入到数据交互的双口RAM；基于PXI的工控机可经PXI总线接口，读取数据交互的双口RAM内数据，并在工控机界面上显示。本系统能满足PRF（Pulse Repetiton Frequency）最高20KHz的脉冲式超声信号采集及显示，图像刷新频率最高可达50Hz。 

上述的超声信号采集及显示系统还可以包括信号处理模块；数字低通滤波器的输出还将被输入到信号处理模块，经信号处理和分析后，得到的结果将被保存；基于PXI的工控机可经PXI总线接口，读取信号处理模块中保存的结果。 

本发明的有益效果主要表现在： 

1、   针对任何固定像素点的显示应用场合，采用本发明所述方法可支持数字式显示系统的任意缩放或平移操作而不丢失波形峰值点特征信息。

2、   本发明所述方法可有效降低显示功能对系统带宽的占用率。 

3、   本发明所述方法能满足最小一个采样数据点的任意缩放或平移的调节精度。 

4、   本发明所述系统基于FPGA的流水线设计、并行处理技术，具有高速信号处理能力。 

5、   本发明所述系统采用FPGA替代模拟电路，实现全数字式的峰值检测模块，简化了板级电路设计，大大缩短了开发周期。 

6、   本发明所述系统基于FPGA可编程技术，可快速实现功能的二次开发。 

附图说明

图1是基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块结构示意图。 

图2是本发明中所述的超声信号采集及显示系统的结构框图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明采用FPGA可编程技术实现了基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块，包括：二段式变距均匀分段器、特征点筛选器、最大值比较器和最小值比较器。输入信号对二段式变距均匀分段器进行配置。完成配置后的二段式变距均匀分段器会依次输出每个分段的标识信号init_load。标识信号init_load既作为每个分段的起点标识，也作为上一个分段的结束标识。输入显示配置参数经显示范围生成器后，输出类似窗信号的Disp_range，而由Disp_range圈定的数据即为数字式峰值检测模块的检测对象。输入Rec_dat和Rec_valid，经地址生成器后输出Rec_dat_r和Rec_adr_r。其中，采集到的数据Rec_dat_r，与特征点筛选器输出的极大值一起被输入到最大值比较器，经比较后输出信号agb；采集到的数据Rec_dat_r，与特征点筛选器输出的极小值一起被输入到最小值比较器，经比较后输出信号aleb。将init_load、agb、aleb作为逻辑控制信号输入到特征点筛选器，控制特征点筛选器从输入的Rec_dat_r和Rec_adr_r中，提取每个分段上的最大值特征点和最小值特征点，并在第一输出口Peak_dat输出最大值特征点和最小值特征点，在第二输出口Peak_adr输出这些特征点出现的位置，在第三输出口Peak_wr输出写使能信号。由特征点筛选器的第一输出口Peak_dat、第二输出口Peak_adr、第三输出口Peak_wr所组成的一组信号，与RAM的接口兼容，可直接连到双口RAM的一个端口，以储存由本发明中的数字式峰值检测模块提取出来的波形特征点。 

如图2所示，是采用本发明中数字式峰值检测模块的超声信号采集及显示系统的结构框图。本发明系统由高速AD通道1、FPGA功能模块2、基于PXI总线的工控机11组成。其中的FPGA功能模块2包括数字带通滤波器3、数字低通滤波器4、基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块6、两片用于乒乓缓冲的片内双口RAM 7、多路自动切换器8、数据交互的双口RAM 9、实现与上位机通讯和数据传输的PXI总线接口10。 

本系统的数据处理过程：将超声信号输入高速AD 1，经模数转换后输出数字信号到FPGA功能模块2；进入到FPGA功能模块2内的数字信号首先被输入到数字带通滤波器3；数字式带通滤波器3的输出被输入到数字低通滤波器4；数字低通滤波器4的输出被输入到本发明中的基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块6，按照二段式变距均匀分段器的分段结果，由特征点筛选器逐一筛选出每个分段上的最大值特征点和最小值特征点。数字式峰值检测模块输出的最大值峰值点数据和最小值峰值点数据、峰值点数据出现位置和写使能信号，将被输入到一片双口RAM 7，当写完一幅波形特征点后自动切换到另一片RAM 7；多路自动切换器8能判断出当前特征点存储位置，自动选择并读取特征点到数据交互的双口RAM 9；FPGA以中断方式通知基于PXI总线的工控机11。基于PXI总线的工控机11通过PXI总线接口10读取存放在数据交互的双口RAM9中的特征点数据。整个过程自动进行，用户所要做的就是在上位机界面中设定所关注的显示范围参数，即可在上位机显示屏幕上呈现对应波形。 

如图2所示的超声信号采集及显示系统，数字低通滤波器4的输出还将被输入到信号处理模块5。可针对不同应用场合，执行相应的信号处理和分析，得到的结果将被保存；基于PXI的工控机可经PXI总线接口10，读取信号处理模块5中保存的结果。 

Claims (4)

1.基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测方法，其特征在于：

步骤(1).采用二段式变距的均匀分段法则，对显示范围内的数据按照时间进行连续分割；

步骤(2).分别提取每段数据的最大值和最小值，作为特征点；

步骤(3).根据每段数据的最大值和最小值出现的时间先后关系确定该段最大值和最小值写入到存储空间的顺序；

步骤(4).从存储空间的起始位置依次读取数据并显示，从而实现了数字波形的任意缩放或平移操作而不失真；

所述的二段式变距的均匀分段法则可实现用固定M个屏幕像素点来表征任意显示范围内波形，其中M要求为2的倍数，该法则具体是：

定义显示范围为n为点数，f_s为采样频率，分两种情况：

①n≤M

显示范围内的数据不需要进过分割和峰值检测，直接输出，若有必要还可以进行插值处理后输出M个显示数据；

②n＞M

第一步，取[]为取整符号，Z表示步距；

第二步，取 $X=n-\frac{M}{z}\×Z;$

第三步，取 $Y=M-X;$

经过以上三步骤之后，可以得出分段结果：前Y段以Z个数据为一组进行峰值检测，得到Y×2个特征点；后X段以(Z+1)个数据为一组进行峰值检测，得到X×2个特征点。

2.基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块，其特征在于：包括二段式变距均匀分段器、特征点筛选器、最大值比较器和最小值比较器；将配置信号输入二段式变距均匀分段器完成配置，并输出第一标识信号；将第一标识信号和采集到的数据输入到特征点筛选器，经过筛选后，输出极大值和极小值；将极大值和采集到的数据输入到最大值比较器，输出第二标识信号；将极小值和采集到的数据输入到最小值比较器，输出第三标识信号；将第一标识信号、第二标识信号和第三标识信号，输入到特征点筛选器，最终输出每个分段上的最大值峰值点数据和最小值峰值点数据，以及峰值点数据出现位置和写使能信号，所述的第一标识信号、第二标识信号、第三标识信号中的标识信号作为每个分段的起点标识，也作为上一个分段的结束标识；所述二段式变距均匀分段器可实现用固定M个屏幕像素点来表征任意显示范围内波形，其中M要求为2的倍数，其具体实现方法是：

定义显示范围为n为点数，f_s为采样频率，分两种情况：

①n≤M

显示范围内的数据不需要进过分割和峰值检测，直接输出，若有必要还可以进行插值处理后输出M个显示数据；

③n＞M

第一步，取[]为取整符号，Z表示步距；

第二步，取 $X=n-\frac{M}{2}\×Z;$

第三步，取 $Y=M-X;$

经过以上三步骤之后，可以得出分段结果：前Y段以Z个数据为一组进行峰值检测，得到Y×2个特征点；后X段以(Z+1)个数据为一组进行峰值检测，得到X×2个特征点。

3.超声信号采集及显示系统，其特征在于：包括高速AD、FPGA功能模块、基于PXI总线的工控机和权利要求2所述的超声信号数字式峰值检测模块；其中的FPGA功能模块包括数字带通滤波器、数字低通滤波器、基于特征点提取的超声信号数字式峰值检测模块、两片用于乒乓缓冲的片内双口RAM、多路自动切换器、数据交互双口RAM、PXI总线接口；将超声信号输入高速AD，经模数转换后输出数字信号到FPGA功能模块；进入到FPGA功能模块内的数字信号首先被输入到数字带通滤波器；数字式带通滤波器的输出再被输入到数字低通滤波器；数字低通滤波器的输出再被输入到基于变距分段法的超声信号数字式峰值检测模块，按照二段式变距均匀分段器的分段结果，由特征点筛选器逐一筛选出每个分段上的最大值和最小值，最终输出最大值峰值点数据和最小值峰值点数据、峰值点数据出现位置和写使能信号，到两片用于乒乓缓冲的片内双口RAM；乒乓缓冲的片内双口RAM可被多路自动切换器读取；读取到的数据将被输入到数据交互的双口RAM；基于PXI的工控机可经PXI总线接口，读取数据交互的双口RAM内数据，并在工控机界面上显示。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：还包括信号处理模块；数字低通滤波器的输出还将被输入到信号处理模块，经信号处理和分析后，得到的结果将被保存；基于PXI的工控机可经PXI总线接口，读取信号处理模块中保存的结果。