多层螺旋CT数据采集系统的研究与实现

论文摘要

数据采集系统(DAS)是CT机的核心技术之一,其主要功能是将来自检测器(Detector)的微弱电流信号经A/D转换后变成数字信号,整理并添加辅助信息,然后送给中央控制器及图像重建系统进行相应的处理。数据采集系统作为CT机的前端系统,负责数据的采集与预处理,它具有通道数多、灵敏度高、转换速率快、动态范围大等特点,因此DAS的精度直接影响着CT机的图像质量,采集速度直接影响着CT机的扫描速度,稳定性决定着CT机的稳定性。本文详细介绍了多层螺旋CT数据采集系统的设计方案,包括系统硬件电路、控制程序以及控制程序的仿真,具体有信号调理电路、A/D转换模块、串行可编程接口、双口RAM、FPGA、FIFO存储器模块、电源模块、控制逻辑和配置电路等部分;并对数据采集理论基础、VHDL语言、系统的硬件设计、控制程序的设计以及部分辅助电路作了详细地阐述。整个设计从EDA技术出发,采用Altera公司的StratixⅡGX系列FPGA芯片,利用VHDL硬件描述语言,首先介绍了各个模块的功能和实现方法,实现了整个采集系统中A/D转换芯片DDC112的时序控制和PLX公司PCI总线控制器PCI9054的逻辑控制;然后较详细地介绍了利用有限状态机(FSM)来实现系统各个模块的控制。本设计使用FPGA芯片丰富的内部资源完成了先进先出存储器FIFO(First InFirst Out)的定制,这使得硬件板卡的设计结构简单化,减少了硬件板卡的干扰,方便硬件调试。通过在QUARTUSⅡ6.0中仿真,结果验证了设计的可行性与合理性,达到了预期效果。同时给出了原理框图和部分仿真波形图以及一些模块的VHDL程序清单。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概述
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状与存在问题
• 1.3 多层CT技术介绍
• 1.4 本文总体设计方案
• 1.5 本文的意义和主要内容
• 1.6 本章小结
• 2 多层螺旋CT数据采集系统的总体设计
• 2.1 多层螺旋CT数据采集系统的原理
• 2.2 多层螺旋CT数据采集系统的典型介绍
• 2.3 多层螺旋CT数据采集系统的设计方案
• 2.4 本章小结
• 3 多层螺旋CT数据采集系统的介绍
• 3.1 数据采集系统的概述
• 3.2 主要器件的选择与介绍
• 3.2.1 A/D转换器DDC112
• 3.2.2 PCI总线控制器PCI9054
• 3.2.3 FPGA的选择—Stratix Ⅱ GX系列
• 3.3 数据采集系统基本结构
• 3.4 本章小结
• 4 多层螺旋CT数据采集系统的硬件电路设计
• 4.1 数据采集理论基础
• 4.1.1 采样定理
• 4.1.2 量化与编码
• 4.1.3 孔径时间
• 4.2 系统结构
• 4.2.1 模拟信号预处理电路
• 4.2.2 多路模拟开关选择电路
• 4.2.3 A/D转换电路
• 4.2.4 FPGA逻辑控制电路
• 4.2.5 PCI总线控制器—PCI9054
• 4.2.6 其他部分电路
• 4.3 本章小结
• 5 多层螺旋CT数据采集系统的软件设计
• 5.1 VHDL语言和FSM简介
• 5.1.1 VHDL语言简介
• 5.1.2 有限状态机（FSM）简介
• 5.2 用有限状态机（FSM）实现DDC112的时序控制
• 5.2.1 A/D转换器DDC112的可编程逻辑设计
• 5.2.2 用FSM实现DDC112时序控制的设计过程
• 5.3 用有限状态机（FSM）实现PCI9054局部总线控制
• 5.3.1 PCI9054局部总线简介
• 5.3.2 PCI9054本地总线控制可编程逻辑设计
• 5.3.3 用FSM实现PCI9054本地总线控制的设计过程
• 5.4 其他部分的软件设计
• 5.4.1 FIFO定制
• 5.4.2 双口RAM的程序设计
• 5.5 本章小结
• 6 系统仿真结果及分析
• 6.1 系统仿真结果
• 6.2 结果分析
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果