在当今医学技术与电子技术结合的领域中，超声波碎石技术因其非侵入性、安全性和有效性而广泛应用于治疗肾结石、胆结石等病症。超声波碎石系统的核心在于其控制器，它负责生成和调节超声波信号，确保系统高效、稳定地工作。本文介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的超声波碎石系统控制器的设计与实现。
FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可以通过编程来配置的集成电路，它在数字电路中具有重要地位。FPGA内部包含大量可编程的逻辑单元，可以用来实现复杂的数字逻辑功能。FPGA的使用可以大幅提高系统的灵活性和可扩展性，对于需要快速响应的应用，如超声波碎石系统，FPGA具有明显的优势。
在超声波碎石系统中，控制器的主要任务是产生和调节频率稳定的正弦波信号，然后将这些信号通过换能器转换为机械振动，以达到碎石的目的。为了确保能量转换效率，输入的正弦波信号频率应当与换能器的谐振频率匹配。由于受到工艺、温度和环境等不确定因素的影响，换能器的谐振频率可能会有所变动。因此，控制器必须具备频率自动调节的功能，以适应频率变化，保证碎石效果。
FPGA控制器在本系统中主要扮演两种角色：DDS波形发生器和控制逻辑部分。DDS（Direct Digital Synthesis）波形发生器可以实时生成所需频率的正弦波信号。在FPGA上实现DDS波形发生器通常涉及以下几个主要模块：相位累加器、波形存储器、数字模拟转换器（DAC）等。相位累加器负责计算当前相位值和根据频率控制字来更新下一个采样点的相位。波形存储器则存储正弦波数据，一般由MATLAB工具生成mif文件，然后由FPGA中的IP核工具调用，生成含有正弦波数据的ROM。数字模拟转换器（DAC）负责将数字信号转换为模拟信号，以便驱动超声换能器。
FPGA控制逻辑部分负责监控超声换能器两端的电压与电流信号，并基于电压、电流的相位差来调整输入正弦波信号的频率。这是通过FPGA内置的I/O接口实现的，FPGA可以读取TTL（Transistor-Transistor Logic）电平信号，并通过特定的算法来控制DDS波形发生器的频率，以响应换能器谐振频率的变化。
在系统设计方面，超声波碎石控制器由FPGA控制器、D/A转换电路、功率放大器、超声换能器、采样电路、滤波整形电路等六部分组成。FPGA控制器分为DDS波形发生器和控制逻辑两部分。整个系统工作时，FPGA控制器生成频率可调节的正弦波，然后通过超声换能器两端的采样、滤波、整形后，这些信号重新输入到FPGA，供控制逻辑部分使用，实现对输入正弦波频率的精确调节。
文章中还提到了相位累加器和波形存储器的结构和功能。相位累加器是DDS波形发生器中的关键部分，由数字加法器和数字寄存器构成，用于根据频率控制字计算出下一次相位值，并作为波形存储器查询表的地址。波形存储器则是通过MATLAB生成的正弦波数据，保存在FPGA的单通道ROM中，最终通过DAC实现正弦波的输出。
通过该方案设计实现的超声波碎石系统控制器，在实验中表现出信号输出稳定，系统反馈调节精度高的特点。这使得控制器能够应对不同条件下的谐振频率变化，并保证了整个碎石过程的效率和可靠性。
总结来看，本研究通过应用FPGA技术于超声波碎石系统中，不仅提高了系统的自动化水平和调节精度，还能够快速适应各种变化，保证了碎石过程的高效性和安全性。这项研究不仅在医学技术上有重要的应用价值，也为FPGA在其他医疗设备中的应用提供了参考。
