民主化超声硬件：pic0rick 开源平台

超声硬件传统上是专业医疗器械制造商和工业无损检测（NDT）公司的领域。高昂的入门成本——源于对精确时序、高速模数转换以及高压脉冲产生的需求——使得独立研究者和爱好者很难尝试声波成像。

pic0rick 作为一个开源硬件平台，旨在将超声采集带入可获取、低成本的电子领域。通过将基于 FPGA 的架构转向 RP2040/RP2350 微控制器，项目显著降低了任何对脉冲回波系统和层析成像感兴趣的人的入门门槛。

pic0rick 的架构

pic0rick 并非单块板，而是一个模块化的三部分系统，旨在处理超声采集的完整信号链：

  1. 主板：这是整个系统的大脑。它配备 RP2040 微控制器和 60 Msps 10 位 ADC。为处理超声波在材料中传播时的衰减，它内置 AD8331 时增益补偿（TGC）放大器，可通过 SPI DAC 实现 7.5 dB 至 55.5 dB 的可变增益。
  2. 脉冲板：超声需要高压触发来激励换能器。该 PMOD 版块使用 MD1210 与 TC6320 组合产生三级脉冲。
  3. 高压板：专用电源板，为脉冲板提供所需的 $\pm 25\text{V}$ 电压轨。

信号链

数据流是确定且线性的： RP2040 $\rightarrow$ PIO 触发脉冲 $\rightarrow$ 脉冲板 $\rightarrow$ 换能器 $\rightarrow$ 回波返回 $\rightarrow$ 高压钳位（保护） $\rightarrow$ AD8331 TGC $\rightarrow$ 60 Msps ADC $\rightarrow$ RP2040 $\rightarrow$ USB $\rightarrow$ 计算机。

用 PIO 替代 FPGA

pic0rick 最重要的技术成就之一是用 RP2040 的 可编程输入/输出（PIO） 状态机取代了 Lattice iCE40 FPGA（该 FPGA 曾用于 un0rick 与 lit3rick 等早期版本）。

在超声采集中，亚微秒级的时序至关重要。传统上，这需要 FPGA 来确保脉冲触发与 ADC 采样完美同步。RP2040 的 PIO 允许开发者编写运行在系统时钟速率下的小型确定性程序，实际上充当了对该特定用例“足够好”的 FPGA。

正如一位社区成员在 Hacker News 上所说：

"在很多情况下，PIO 就是一个在极低成本硬件上‘足够好’的 FPGA。"

通过转向 PIO，项目消除了对 Verilog 或 VHDL 等复杂 HDL 工具链的需求。用户现在可以在类似 Arduino 的环境中使用标准 C/C++ 修改采集时序和脉冲模式，大幅缩短开发周期。

可扩展性与使用场景

为了确保平台不仅限于简单的脉冲回波测试，pic0rick 提供了双 PMOD 接口用于各种扩展：

  • VGA 输出：使用 PIO1 将超声数据实时可视化到显示器上。
  • MUX 板：多路复用器，可使用多个换能器，打开阵列成像和合成孔径技术的大门。
  • PSRAM：提供额外内存用于更长的采集缓冲，对深层目标成像至关重要。

实际应用

虽然硬件通用，但该平台的主要应用包括：

  • 脉冲回波测试：测量物体距离或检测材料缺陷。
  • 无损检测（NDT）：在不损坏工业部件的前提下检查结构完整性。
  • 层析成像：基于超声反射创建物体的横截面图像。

与传统板卡的比较

对于使用旧版 un0rick 系列的用户，pic0rick 代表了一次向可及性迈进的转变。虽然传统板卡提供了完整的 FPGA 灵活性，并且在某些情况下（如 lit3-32）拥有高达 92 dB 的增益范围，pic0rick 则以最低成本和最简易的编程模型取胜。除非对极端增益或 FPGA 级时序控制有严格需求，否则它是任何新项目的推荐起点。

结论

pic0rick 项目展示了开源硬件与现代微控制器特性之间的强大协同。通过利用 RP2040 的 PIO，它将复杂的高速采集系统转变为模块化、经济实惠的教育与科研工具。无论是构建自定义 NDT 扫描仪，还是尝试声波成像，pic0rick 都提供了坚实的开源基础供大家在此之上构建。

摘要： 探索 pic0rick 如何利用 RP2040 的 PIO 替代昂贵的 FPGA，实现超声采集，使高速采样和 NDT 应用对 DIY 爱好者变得触手可及。

标题： 民主化超声硬件：pic0rick 开源平台

Sources