基于FPGA 的Micro-CT 采集控制系統設計

尹 康，楊 昆，劉 琨，李曉葦

（1.河北大學質量技術監督學院，保定 071000；2.河北大學物理科學與技術學院，保定 071000）

近年來，小動物醫學模型已經成為研究人類健康的一個重要內容，人類的疾病大都可以在動物上建立相應模型，從而找到治療方法[1]。但是普通臨床CT 設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 系統中采用的高性能X 射線平板探測器和高容量微焦點X 射線管是設備獲得高分辨率小切片和小動物CT 圖像的必要條件[5]。

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）在控制領域占有越來越重要的地位。由于FPGA 芯片具有現場可升級性，便于醫療儀器的長期維護，使得它在醫療儀器系統設計中被廣泛應用。本系統選用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 的總線和處理器時鐘頻率，滿足采集控制系統的實時性和穩定性要求。

1 系統整體設計

系統由采集控制板、X 射線源、探測器、運動控制器和上位機組成，如圖1所示。上位機和采集控制板可進行數據交流，一方面實現對X 射線源、探測器和運動控制器的同步控制，另一方面將反饋信號傳送回上位機。系統有兩種工作模式：單步采集模式和連續采集模式。

2 系統硬件設計

采集控制板以FPGA 為主控制器，通過一系列電路設計實現對射線發生器、探測器和運動控制器的信號應答。因此系統的硬件設計可分為FPGA 外圍電路設計和內部軟外設的構建。

2.1 FPGA 外圍電路設計

為了更清楚的表達FPGA 外圍電路的設計，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計和硬件電路之間的紐帶。系統中FPGA 的配置方式為主SPI Flash 串行模式。X射線源模塊：X 射線發生器和采集控制板以DB25（母頭）接口相連。FPGA 需要設置X 射線發生器高壓和電流參數，同時監控X 射線發生器的實際高壓、實際電流、X 射線狀態。為了實現數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BNC 接口連接，一個是FPGA 觸發探測器進行數據采集，另一個是反饋探測器準備狀態。運動控制器模塊：運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 傳送運動就位信號。通信模塊：使用MAX3490實現串口RS232和RS422差分對的轉換，在上位機側可采用USB-UART（RS422）轉換接口。時鐘模塊：FPGA的系統時鐘由50MHZ 的外部晶振產生，通過GCLK 引腳輸入到FPGA。值得注意，為了提高系統的抗干擾能力，FPGA 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 內部32位嵌入式處理器而推出的開發套件，利用其集成開發環境XPS（Xilinx Platform Studio）將所需的外設通過片內總線掛到Microblaze 處理器上，可以方便、快速地完成嵌入式系統開發的整個流程。

3 系統軟件設計

系統軟件的設計是整個采集控制系統的關鍵，系統軟件的優劣直接決定了Micro-CT 是否能夠正常完成采集。這部分主要包括系統控制時序的設計、軟核的編程、通信協議的制定、上位機軟件的設計。

設計中應先對每一模塊進行程序編寫，然后在主函數中對各個模塊調用。使用SPI 軟核首先需要進行初始化，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 射線發生器設置電壓和電流：

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）；

電壓和電流的設置是由上位機發送給FPGA，然后FPGA 輸出一個16位的數字量，再通過DAC 轉換成模擬量傳輸給X 射線發生器，具有很高的精確度。

4 實驗驗證與結論

本文研制了一套基于FPGA 的Micro-CT 采集控制系統，結合需求進行模塊化設計，利用MicroBlaze 實現嵌入式系統。系統采用16位的數模轉換器和分辨率達0.00125°的運動控制器，并且單步采集模式下空間分辨率可達0.08mm，密度分辨率可達0.5%，具有很高的精確性；掃描時間/層為1.0秒（螺旋式），采樣時間/度為3ms，具有很好的實時性；掃描架的轉速為30轉/分，連續運轉無出錯，信號之間的傳輸由光耦隔離，具有很強的穩定性。本次設計中的Micro-CT 將與Micro-PET 等相結合，構成小動物多模態分子影像系統，成為對小動物進行解剖和功能成像的有力工具。