基于FPGA 的Micro-CT 采集控制系统设计

尹 康，杨 昆，刘 琨，李晓苇

（1.河北大学质量技术监督学院，保定 071000；2.河北大学物理科学与技术学院，保定 071000）

近年来，小动物医学模型已经成为研究人类健康的一个重要内容，人类的疾病大都可以在动物上建立相应模型，从而找到治疗方法[1]。但是普通临床CT 设备的空间分辨率通常为1mm，无法满足对小动物成像空间分辨率的要求[2-3]，因此急需开发更高空间分辨率、更低辐射剂量以及更快速重建算法的Micro-CT（Micro-Computed Tomographic）[4]。Micro-CT 系统中采用的高性能X 射线平板探测器和高容量微焦点X 射线管是设备获得高分辨率小切片和小动物CT 图像的必要条件[5]。

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）在控制领域占有越来越重要的地位。由于FPGA 芯片具有现场可升级性，便于医疗仪器的长期维护，使得它在医疗仪器系统设计中被广泛应用。本系统选用Xilinx 公司的Spartan-6 XC6SLX16芯片作为控制处理器，采用PLB 总线，可支持50MHz 的总线和处理器时钟频率，满足采集控制系统的实时性和稳定性要求。

1 系统整体设计

系统由采集控制板、X 射线源、探测器、运动控制器和上位机组成，如图1所示。上位机和采集控制板可进行数据交流，一方面实现对X 射线源、探测器和运动控制器的同步控制，另一方面将反馈信号传送回上位机。系统有两种工作模式：单步采集模式和连续采集模式。

2 系统硬件设计

采集控制板以FPGA 为主控制器，通过一系列电路设计实现对射线发生器、探测器和运动控制器的信号应答。因此系统的硬件设计可分为FPGA 外围电路设计和内部软外设的构建。

2.1 FPGA 外围电路设计

为了更清楚的表达FPGA 外围电路的设计，将其划分为以下模块，如图1所示。

图1 FPGA外围电路模块Fig.1 The module of FPGA peripheral circuit

配置模块：FPGA 配置电路可看成用户设计和硬件电路之间的纽带。系统中FPGA 的配置方式为主SPI Flash 串行模式。X射线源模块：X 射线发生器和采集控制板以DB25（母头）接口相连。FPGA 需要设置X 射线发生器高压和电流参数，同时监控X 射线发生器的实际高压、实际电流、X 射线状态。为了实现数字信号和模拟信号的互换，这里采用SPI 通信的DAC7552RGT和ADC122S625。探测器模块：探测器用两个BNC 接口连接，一个是FPGA 触发探测器进行数据采集，另一个是反馈探测器准备状态。运动控制器模块：运动控制器接口使用双引脚的欧式端子接线台，以差分方式向FPGA 传送运动就位信号。通信模块：使用MAX3490实现串口RS232和RS422差分对的转换，在上位机侧可采用USB-UART（RS422）转换接口。时钟模块：FPGA的系统时钟由50MHZ 的外部晶振产生，通过GCLK 引脚输入到FPGA。值得注意，为了提高系统的抗干扰能力，FPGA 与外围器件的信号交流需用光耦隔离。

2.2 MicroBlaze 硬件平台的搭建

EDK（Embedded Development Kit）是Xilinx 公 司 针 对FPGA 内部32位嵌入式处理器而推出的开发套件，利用其集成开发环境XPS（Xilinx Platform Studio）将所需的外设通过片内总线挂到Microblaze 处理器上，可以方便、快速地完成嵌入式系统开发的整个流程。

3 系统软件设计

系统软件的设计是整个采集控制系统的关键，系统软件的优劣直接决定了Micro-CT 是否能够正常完成采集。这部分主要包括系统控制时序的设计、软核的编程、通信协议的制定、上位机软件的设计。

设计中应先对每一模块进行程序编写，然后在主函数中对各个模块调用。使用SPI 软核首先需要进行初始化，在此以DAC传输信号的软核SPI 为例。

SPI 软核初始化后，可用以下语句为X 射线发生器设置电压和电流：

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）；

电压和电流的设置是由上位机发送给FPGA，然后FPGA 输出一个16位的数字量，再通过DAC 转换成模拟量传输给X 射线发生器，具有很高的精确度。

4 实验验证与结论

本文研制了一套基于FPGA 的Micro-CT 采集控制系统，结合需求进行模块化设计，利用MicroBlaze 实现嵌入式系统。系统采用16位的数模转换器和分辨率达0.00125°的运动控制器，并且单步采集模式下空间分辨率可达0.08mm，密度分辨率可达0.5%，具有很高的精确性；扫描时间/层为1.0秒（螺旋式），采样时间/度为3ms，具有很好的实时性；扫描架的转速为30转/分，连续运转无出错，信号之间的传输由光耦隔离，具有很强的稳定性。本次设计中的Micro-CT 将与Micro-PET 等相结合，构成小动物多模态分子影像系统，成为对小动物进行解剖和功能成像的有力工具。