FPGA 기반 초음파 이미징 시스템 | PXIe Gen3 + XDMA 고속 데이터 전송 솔루션

응용 배경

초음파 스캐닝(Ultrasound Scanning) 기술은 산업 검사와 의료 영상 분야에서 광범위하게 적용되고 있습니다.

• 산업 비파괴 검사(NDT): 산업 설비의 결함 검출
• 의료 영상: 인체 진단 영상 (초음파, 심초음파, 산부인과 등)

두 분야 모두 다수의 트랜스듀서(Transducer) 어레이의 초음파 신호 송신과 수집을 정밀 제어해야 합니다. 또한:

• 수집한 신호를 실시간 처리하여 이미지로 변환
• 상위 시스템(호스트)으로 피드백
• 막대한 초음파 데이터 처리를 위한 고처리량(High Throughput) 시스템 필요

이러한 요구사항은 의료 영상 장비 제조사 및 산업용 비파괴 검사 기업에게 매우 중요합니다.

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도전 과제

초음파 이미징 수집 플랫폼 개발 과정에서 고객이 직면한 도전:

1. 막대한 데이터 처리량

• 현대 초음파 시스템: 다수 채널 사용
• 샘플링 속도: 40 MS/s ~ 200 MS/s
• 데이터 양: TB(테라바이트) 급
• 기존 데이터 인터페이스로는 대역폭 부족 → 고프레임률 수집 요구 충족 어려움

2. 저지연·고대역폭 데이터 링크

• 데이터 손실 및 지연은 이미지 품질에 직접 영향
• 시스템에 저지연·고대역폭 데이터 링크 필수

3. 다채널 동기 전송

• 초음파 이미징은 다채널 동기 전송 필요
• 기존 장비는 고정밀 트리거 신호 제공 어려움
• 트랜스듀서 어레이의 작동 주기와 매칭 곤란

4. 실시간 전처리

• CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) 가 수집하는 원본 데이터 양 막대
• 수집 신호에 필터링, 빔포밍(Beamforming) 등 전처리 필요

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솔루션

JYTEK은 PXIe 시스템 + FPGA 기반 종합 솔루션을 제공했습니다.

시스템 구성

[CMUT 트랜스듀서 어레이]
   ↓
[PXIe 고속 ADC/DAC 수집 모듈] (다수 모듈 병렬)
   ↓
[FPGA 전처리] ← 필터링, 빔포밍
   ↓
[XDMA (Xilinx DMA) 기술]
   ↓
[PCIe Gen2 (8 GT/s) / Gen3 (16 GT/s) 백플레인]
   ↓
[PXIe-3127e 컨트롤러 (Intel Core i7-11850HE)] → 호스트 메모리 직접 전송
   ↓
[실시간 이미지 재구성]
   ↓
[상위 시스템 디스플레이]

 

 

핵심 특장점

1. PCIe Gen2/Gen3 고속 백플레인

• PXIe는 PCIe를 기반 데이터 버스로 사용
• 다채널 병렬 전송
• 데이터 속도: Gen2 8 GT/s, Gen3 16 GT/s

2. FPGA + XDMA 직접 메모리 전송

• FPGA와 PXIe 결합으로 고속 데이터 전송·이동 구현
• XDMA(Xilinx DMA) 기술로 데이터를 호스트 메모리에 직접 전송
• 시스템 처리량 향상

3. 다채널 병렬 수집

• PXIe 섀시가 다수 고속 ADC/DAC 수집 모듈 동시 작동 지원
• CMUT 트랜스듀서의 대량 채널 데이터 동시 전송·처리
• 대역폭 제한으로 인한 신호 손실 및 샘플링 속도 저하 방지

4. 나노초(ns) 단위 동기

• PXIe의 고정밀 동기 클럭 기능
• 다채널 ns급 동기 구현
• 데이터 수집의 정확성·일관성 보장

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사용 제품

하드웨어

PXIe-2315G3 — 5슬롯 Gen3 PXIe 섀시

• 고데이터 전송 대역폭
• 컴팩트 5슬롯

PXIe-2722G3 — 18슬롯 Gen3 PXIe 섀시

• 고데이터 전송 대역폭
• 대규모 채널 구성

PXIe-3127e — 3U PXIe 컨트롤러

• 11세대 Intel® Core™ i7-11850HE 프로세서
• 고속 데이터 처리

소프트웨어

SeeSharp® — C# 기반 오픈소스 측정 제어 플랫폼

• 별도 라이선스 비용 없음
• 풍부한 자체 개발 컨트롤 + 매뉴얼 제공

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적용 가능 분야

본 솔루션은 다음과 같은 초음파/고속 데이터 수집에 활용됩니다.

• 의료 초음파 이미징 (진단 영상)
• 산업 비파괴 검사(NDT) (TOFD, PA-UT)
• 위상배열 초음파(Phased Array UT)
• 수중 초음파 탐사(Sonar)
• CMUT 디바이스 R&D
• 초음파 트랜스듀서 어레이 측정
• FPGA + 호스트 고속 데이터 인터페이스 시스템
• 고속 디지타이저 + DSP 응용
• 광 음향 이미징(Photoacoustic Imaging)
• 레이저 초음파(Laser Ultrasonics)

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왜 JYTEK 인가?

1. 검증된 제품 신뢰성
장기간 시장 검증을 거친 안정적인 성능

2. POC(Proof of Concept) 서비스
도입 전 무상 검증으로 사양 적합성 사전 확인

3. 고정밀도
까다로운 측정 정밀도·신뢰성 요구 충족

4. 빠른 납기
효율적인 공급망으로 프로젝트 일정 보장

5. 비용 효율성
해외 주요 브랜드 대비 우수한 성능 + 합리적 가격으로 전체 제조 단가 절감

6. 컨트롤(Control) 개발 자원
풍부한 자체 개발 컨트롤 + 완비된 사용 매뉴얼 → 개발 비용 효과적 절감

7. 다양한 섀시 슬롯 옵션
요구에 따라 다양한 슬롯 수 섀시 선택 가능 → 다양화된 응용 충족

8. 한국 직접 기술지원
제이와이텍코리아 엔지니어가 현장 대응 + 빠른 응답

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결과

JYTEK 제품을 통해 고객은 FPGA와 호스트 간 고속 데이터 전송을 성공적으로 구현하고, 고성능 초음파 이미징 수집 시스템을 구축했습니다.

• ✅ 고샘플링 속도 + 다채널 동기 전송 충족
• ✅ 대용량 데이터 처리
• ✅ 실시간 이미징 + 빔포밍을 위한 견고한 하드웨어 기반
• ✅ 초음파 이미징 시스템의 전체 성능 + 신뢰성 대폭 향상

본 사례는 JYTEK이 의료 영상 장비, 산업 비파괴 검사, 첨단 트랜스듀서 R&D 분야에 직접 활용 가능한 핵심 측정 인프라를 제공한다는 것을 보여줍니다. 특히 한국의 의료기기 산업과 비파괴 검사 산업 R&D에 적합한 솔루션입니다.