超音波ハードウェアの民主化：pic0rick オープンソースプラットフォーム

Ultrasound hardwareは従来、専門の医療機器メーカーや産業用 NDT（非破壊検査）企業の領域でした。正確なタイミングや高速アナログ-デジタル変換、高電圧パルス生成が必要なため、参入コストが高く、独立した研究者やホビイストが音響イメージングを試すことが困難でした。

そこで登場するのが pic0rick です。これは超音波取得を手頃で低コストなエレクトロニクスの領域に持ち込むことを目的としたオープンソースハードウェアプラットフォームです。FPGA ベースのアーキテクチャから RP2040/RP2350 マイクロコントローラへ移行することで、パルスエコーシステムやトモグラフィに関心のあるすべての人にとって参入障壁を大幅に下げています。

pic0rick のアーキテクチャ

pic0rick は単一のボードではなく、超音波取得の全信号チェーンを処理するよう設計されたモジュラーな三部構成システムです。

  1. The Main Board: これはシステムの頭脳です。RP2040 マイクロコントローラと 60 Msps 10-bit ADC を搭載しています。材料を通過する際の超音波の減衰に対処するため、AD8331 Time Gain Compensation（TGC）アンプを備えており、SPI DAC で制御できる可変ゲイン（7.5 dB から 55.5 dB）を提供します。
  2. The Pulser Board: 超音波はトランスデューサを励起するために高電圧トリガが必要です。この PMOD ベースのボードは MD1210 と TC6320 の組み合わせを使用して三段階パルスを生成します。
  3. The HV Board: パルサーボードに必要な $\pm 25\text{V}$ 電源レールを供給する専用電源ボードです。

信号チェーン

データの流れは決定的かつ線形です: RP2040 → PIO triggers pulse → Pulser board → Transducer → Echo returns → HV clipping (protection) → AD8331 TGC → 60 Msps ADC → RP2040 → USB → Computer.

FPGA を PIO に置き換える

pic0rick の最も重要な技術的成果の一つは、以前のバージョン（un0rick や lit3rick など）で使用されていた Lattice iCE40 FPGA を RP2040 の Programmable Input/Output (PIO) ステートマシンに置き換えたことです。

超音波取得では、サブマイクロ秒単位のタイミングが重要です。従来は、パルストリガと ADC のサンプリング開始を完全に同期させるために FPGA が必要でした。RP2040 の PIO を使用すると、開発者はシステムクロックレートで動作する小さく決定的なプログラムを書けるため、特定の用途に対して「十分に良い」 FPGA として機能します。

あるコミュニティメンバーが Hacker News で次のように述べています:

"多くの場合、PIO は極めて安価なハードウェア上で『十分に良い』 FPGA と言えるようです。"

PIO に移行することで、プロジェクトは Verilog や VHDL といった複雑な HDL（ハードウェア記述言語）ツールチェーンの必要性を排除しました。ユーザーは Arduino ライクな環境で標準的な C/C++ を使用して取得タイミングやパルスパターンを変更でき、開発サイクルを大幅に短縮できます。

拡張性とユースケース

プラットフォームが単なるパルスエコーテスト以上に有用であることを保証するため、pic0rick はさまざまな拡張用にダブル PMOD コネクタを備えています：

  • VGA Output: PIO1 を使用して、モニタ上に超音波データのリアルタイム可視化を提供します。
  • MUX Board: 複数のトランスデューサの使用を可能にするマルチプレクサで、アレイイメージングや合成開口技術への道を開きます。
  • PSRAM: より長い取得バッファ用の追加メモリを提供し、深部対象のイメージングに不可欠です。

実用的な応用例

ハードウェアは多用途ですが、このプラットフォームの主な応用例は次のとおりです：

  • Pulse-Echo Testing: 物体までの距離測定や材料内部の欠陥検出。
  • Non-Destructive Testing (NDT): 産業部品の構造的完全性を損傷させずに検査。
  • Tomography: 超音波反射に基づく対象物の断面画像作成。

従来ボードとの比較

古い un0rick ファミリーから来た方にとって、pic0rick はアクセシビリティへの転換を示します。従来のボードは完全な FPGA の柔軟性を提供し、場合によっては（lit3-32 のように）92 dB の高ゲイン範囲を持っていましたが、pic0rick は最も低コストで最もシンプルなプログラミングモデルを提供します。極端なゲインや FPGA レベルのタイミング制御が厳密に必要でない限り、あらゆる新規プロジェクトの開始点として推奨されます。

結論

pic0rick プロジェクトは、オープンソースハードウェアと最新マイクロコントローラ機能の強力な相乗効果を示しています。RP2040 の PIO を活用することで、複雑で高速な取得システムを教育・研究向けのモジュラーで手頃なツールに変換します。カスタム NDT スキャナーの構築や音響イメージングの実験を行う場合でも、pic0rick は堅牢なオープンソース基盤を提供します。

Sources