新型可穿戴超声肌电(Echomyography,EcMG)系统硬件设计(带一丢丢软件)

原创 云深之无迹 2025-04-18 13:55
文章来自自然:
同样的,我这边就不说前面的超声材料是如何设计的了,就说这个信号链的设计了。
Pzt-4/Pzt-8压电陶瓷压电材料薄膜透明压电材料|
PZT材料
看不懂一点
结构图
系统非常小
外壳是打印的,探头一点点
贴上去,一边发,一边收,数据输出的 WIFI 的
  1. 高压脉冲激励换能器(1~4 MHz)。
  2. 接收RF信号后,经AFE放大,ADC采样(12 MHz),Wi-Fi发送至PC。
  3. 数据流速:50 Hz(每20 ms一次),每次采集1024个采样点。
前面的调理和数字采集部分
AFE
MCU 用了两个,一个是时序控制,一个是 ADC 以及发送和计算
DFE
后面是 DCDC 和驱动部分
4 层板
超声的频率就是高哇
TR 开关是防止电压回流把 ADC 打坏的
切换“发射模式”与“接收模式”,保护后端放大器;发射时隔离高压激励信号;接收时低阻抗导通 RF 信号到运放输入。
在采集部分的选择上面别出心裁,没有使用外挂 ADC 的方案,而是一个 MCU:
其实这个高采样率是使用所谓的多 ADC 交织采样实现的

Interleaved(交错)采样:将多个 ADC 模块错时轮流采样同一个通道或同一个波形源,让系统的总体采样速率翻倍/翻多倍

这样做:可以提升等效采样率,多个 ADC 合作采样,采得更快。更多的我觉得是开发简单吧?
运放是 ADI 的:
这个是特点
3db 下 236Mhz,而且还可以放大信号,上面的 PCB 也是这样做的,多出来的可以去做一个缓冲。
里面正好有两颗 OP
至于为什么还有一个 OP,可能用于进一步放大或者作为低输出阻抗的缓冲驱动器,使信号更适合送入 MCU 内部 ADC,避免因高阻抗耦合带来失真。
通常配置为单位增益(1×),放在 ADA4895 之后,用于匹配 ADC 输入阻抗、改善稳定性。
这个设计里面使用了三个 OP,一次放大,两次缓冲:
应该是可以改良信号
一个在传感器的前面,马上放大,一个在 ADC 里面,来满足 ADC 的采集需求。
再次汇总一下 Bom
还有一部分是波形生成 
电压高达 100V 以上
MOS 管是这个
升压转换是这个
芯片参数
通过一个基于 MIC2171 PWM 控制器 的 Boost 升压电路,结合大电感 L20、快速二极管 D20 和高压滤波电容,利用电感能量释放原理,将 LIPO 电池的 3.7V 电压提升到约 100–120V,为 pulser 提供激励能量。
升压原理是这样的:
  1. 通电(MOS开通):电感连接电源,储能,磁场增强;

  2. 断电(MOS关断):电感电流不能瞬间中断 → 电感两端产生反向高电压;

  3. 加在负载上 + 二极管导通:这个高压叠加到原始电压上,实现升压。




个人感觉应该不是很危险,因为能量不高
当然了,需要使用精密的时序控制,其实定时器就可以了
这些是控制的波形作用
详细的作用
// 初始化函数function system_init():    setup_GPIO()          // 设置输出控制引脚:BOOST_EN, PULSE, TR_CTRL, etc.    setup_timer_20ms()    // 设置定时器周期中断,每 20ms 触发一次 sequencer    setup_interrupts()    // 配置外部中断(如采样完成、ESP回应)    enter_low_power_mode()
// 主定时器中断触发入口(每帧开始)interrupt timer_20ms_ISR():    BOOST_EN = HIGH            // 启动升压(大约提前1ms)    delay_us(1000)             // 给boost预充时间(可调)
    TR_CTRL = LOW              // 切断接收路径 → 进入“发射模式”
    PULSE = HIGH               // 发出激励脉冲(驱动Pulser)    delay_ns(200)              // 控制脉冲宽度:200ns    PULSE = LOW
    delay_us(2)                // 保守延迟,等待激励完成
    TR_CTRL = HIGH             // 切换为“接收模式”→ 接收回波
    ADC_TRIG = HIGH            // 触发PIC32或ADC模块开始采样    delay_us(85)               // 等待采样完成    ADC_TRIG = LOW
    BOOST_EN = LOW             // 关闭boost,抑制干扰
    wait_for_ADC_done_flag()   // 可由中断或ACK设置标志位
    transmit_to_ESP32()        // 通知ESP32将数据通过Wi-Fi发送
    enter_low_power_mode()     // 等待下一帧(降低功耗)
给出一段类似的时序控制

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