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        基于FPGA 的Micro-CT 采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2019-06-25 01:25:06李曉葦
        數(shù)字通信世界 2019年5期
        關(guān)鍵詞:控制板射線上位

        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。

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