尹 康，楊 昆，劉 琨，李曉葦

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071000；2.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，保定 071000）

近年來，小動物醫(yī)學(xué)模型已經(jīng)成為研究人類健康的一個(gè)重要內(nèi)容，人類的疾病大都可以在動物上建立相應(yīng)模型，從而找到治療方法[1]。但是普通臨床CT 設(shè)備的空間分辨率通常為1mm，無法滿足對小動物成像空間分辨率的要求[2-3]，因此急需開發(fā)更高空間分辨率、更低輻射劑量以及更快速重建算法的Micro-CT（Micro-Computed Tomographic）[4]。Micro-CT 系統(tǒng)中采用的高性能X 射線平板探測器和高容量微焦點(diǎn)X 射線管是設(shè)備獲得高分辨率小切片和小動物CT 圖像的必要條件[5]。

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）在控制領(lǐng)域占有越來越重要的地位。由于FPGA 芯片具有現(xiàn)場可升級性，便于醫(yī)療儀器的長期維護(hù)，使得它在醫(yī)療儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)選用Xilinx 公司的Spartan-6 XC6SLX16芯片作為控制處理器，采用PLB 總線，可支持50MHz 的總線和處理器時(shí)鐘頻率，滿足采集控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由采集控制板、X 射線源、探測器、運(yùn)動控制器和上位機(jī)組成，如圖1所示。上位機(jī)和采集控制板可進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，一方面實(shí)現(xiàn)對X 射線源、探測器和運(yùn)動控制器的同步控制，另一方面將反饋信號傳送回上位機(jī)。系統(tǒng)有兩種工作模式：單步采集模式和連續(xù)采集模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集控制板以FPGA 為主控制器，通過一系列電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對射線發(fā)生器、探測器和運(yùn)動控制器的信號應(yīng)答。因此系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可分為FPGA 外圍電路設(shè)計(jì)和內(nèi)部軟外設(shè)的構(gòu)建。

2.1 FPGA 外圍電路設(shè)計(jì)

為了更清楚的表達(dá)FPGA 外圍電路的設(shè)計(jì)，將其劃分為以下模塊，如圖1所示。

圖1 FPGA外圍電路模塊Fig.1 The module of FPGA peripheral circuit

配置模塊：FPGA 配置電路可看成用戶設(shè)計(jì)和硬件電路之間的紐帶。系統(tǒng)中FPGA 的配置方式為主SPI Flash 串行模式。X射線源模塊：X 射線發(fā)生器和采集控制板以DB25（母頭）接口相連。FPGA 需要設(shè)置X 射線發(fā)生器高壓和電流參數(shù)，同時(shí)監(jiān)控X 射線發(fā)生器的實(shí)際高壓、實(shí)際電流、X 射線狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的互換，這里采用SPI 通信的DAC7552RGT和ADC122S625。探測器模塊：探測器用兩個(gè)BNC 接口連接，一個(gè)是FPGA 觸發(fā)探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一個(gè)是反饋探測器準(zhǔn)備狀態(tài)。運(yùn)動控制器模塊：運(yùn)動控制器接口使用雙引腳的歐式端子接線臺，以差分方式向FPGA 傳送運(yùn)動就位信號。通信模塊：使用MAX3490實(shí)現(xiàn)串口RS232和RS422差分對的轉(zhuǎn)換，在上位機(jī)側(cè)可采用USB-UART（RS422）轉(zhuǎn)換接口。時(shí)鐘模塊：FPGA的系統(tǒng)時(shí)鐘由50MHZ 的外部晶振產(chǎn)生，通過GCLK 引腳輸入到FPGA。值得注意，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，F(xiàn)PGA 與外圍器件的信號交流需用光耦隔離。

2.2 MicroBlaze 硬件平臺的搭建

EDK（Embedded Development Kit）是Xilinx 公 司 針 對FPGA 內(nèi)部32位嵌入式處理器而推出的開發(fā)套件，利用其集成開發(fā)環(huán)境XPS（Xilinx Platform Studio）將所需的外設(shè)通過片內(nèi)總線掛到Microblaze 處理器上，可以方便、快速地完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)流程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)采集控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)軟件的優(yōu)劣直接決定了Micro-CT 是否能夠正常完成采集。這部分主要包括系統(tǒng)控制時(shí)序的設(shè)計(jì)、軟核的編程、通信協(xié)議的制定、上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)中應(yīng)先對每一模塊進(jìn)行程序編寫，然后在主函數(shù)中對各個(gè)模塊調(diào)用。使用SPI 軟核首先需要進(jìn)行初始化，在此以DAC傳輸信號的軟核SPI 為例。

SPI 軟核初始化后，可用以下語句為X 射線發(fā)生器設(shè)置電壓和電流：

XSpi_SetSlaveSelect（&SpiInstance，selslave）；

WriteBuffer[0]=（u8）（data＞＞8）；//高8位

WriteBuffer[1]=（u8）（data）；//低8位

XSpi_Transfer（SpiInstancePtr，WriteBuffer，NULL，2）；

電壓和電流的設(shè)置是由上位機(jī)發(fā)送給FPGA，然后FPGA 輸出一個(gè)16位的數(shù)字量，再通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量傳輸給X 射線發(fā)生器，具有很高的精確度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

本文研制了一套基于FPGA 的Micro-CT 采集控制系統(tǒng)，結(jié)合需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，利用MicroBlaze 實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)采用16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和分辨率達(dá)0.00125°的運(yùn)動控制器，并且單步采集模式下空間分辨率可達(dá)0.08mm，密度分辨率可達(dá)0.5%，具有很高的精確性；掃描時(shí)間/層為1.0秒（螺旋式），采樣時(shí)間/度為3ms，具有很好的實(shí)時(shí)性；掃描架的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無出錯(cuò)，信號之間的傳輸由光耦隔離，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)中的Micro-CT 將與Micro-PET 等相結(jié)合，構(gòu)成小動物多模態(tài)分子影像系統(tǒng)，成為對小動物進(jìn)行解剖和功能成像的有力工具。