电阻抗成像快速采集系统的研究

论文摘要

电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)是利用人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理,通过给人体注入小的安全电流,测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像,是一种无损伤的成像技术。电阻抗成像技术的研究包括EIT数据采集系统和图像重建算法两个部分。本文的主要工作是对EIT数据采集系统的研究。本文分析比较了几种常用的模拟解调技术和数字解调技术,详细介绍了数字解调技术的原理,分析了数字解调技术对信号采样的要求。以数字解调技术对信号采样的要求为基础,并结合对目前常用的几种EIT数据采集系统设计方案的分析比较,提出了本文中电阻抗快速采集系统的设计方案。电阻抗快速采集系统主要由基于DDS信号源的正弦波恒流源、高速A/D采集控制与数据缓存、ARM微控制器系统和USB通讯接口等四部分组成。其中利用FPGA实现DDS信号源和高速A/D采集控制与数据缓存功能的集成化设计,解决了采样与被测信号同步的问题,提高了数字解调的精度。本文详细介绍了高速A/D转换电路、高速D/A转换电路、FPGA接口电路、ARM微控制器系统和USB通讯接口的硬件设计。同时阐述了利用VHDL在FPGA中实现DDS信号源和高速A/D采集控制与数据缓存功能的集成化设计的具体实现方法,以及利用ARM微控制器SPI接口实现FPGA快速在线配置的实现方法,并给出了测试结果。另外本文也简略介绍了ARM微控制器系统硬件接口程序、USB通讯硬件接口和中断服务程序的设计。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 电阻抗成像技术简介
• 1.2 电阻抗成像技术的国内外研究现状
• 1.3 电阻抗成像的基本原理
• 1.4 课题主要研究内容
• 2 相敏解调技术
• 2.1 常用的模拟解调技术
• 2.1.1 开关解调
• 2.1.2 模拟乘法器解调
• 2.1.3 采样保持器解调
• 2.2 过零鉴相法解调
• 2.3 数字解调技术
• 2.3.1 傅氏算法解调原理
• 2.3.2 傅氏算法解调对信号采样的要求
• 2.4 本章小结
• 3 EIT数据采集系统设计方案
• 3.1 EIT系统的组成
• 3.2 EIT数据采集系统的组成
• 3.2.1 基于过零鉴相解调技术的EIT数据采集系统
• 3.2.2 基于开关解调技术的EIT数据采集系统
• 3.2.3 基于模拟乘法器解调技术的EIT数据采集系统
• 3.2.4 基于数字乘法器解调技术的EIT数据采集系统
• 3.2.5 基于傅氏算法解调技术的EIT数据采集系统
• 3.3 本课题EIT数据采集系统的设计方案
• 3.4 本章小结
• 4 EIT数据采集系统的设计
• 4.1 高速A/D转换电路
• 4.1.1 前端信号转换电路
• 4.1.2 高速A/D转换器
• 4.2 高速D/A转换电路
• 4.3 FPGA在EIT数据采集系统中的设计
• 4.3.1 A/D采集控制与数据缓存模块
• 4.3.2 DDS模块
• 4.3.3 总线接口模块
• 4.3.4 DDS信号源与数据采集功能电路的实现与测试
• 4.4 ARM微控制器系统的设计
• 4.4.1 LPC2210的调试接口
• 4.4.2 LPC2210的系统时钟设计
• 4.4.3 LPC2210的系统启动设计
• 4.4.4 外部存储器控制器的设置
• 4.4.5 程序存储器的扩展
• 4.4.6 数据存储器的扩展
• 4.4.7 复位电路
• 4.4.8 数字温度传感器
• 4.4.9 利用SPI接口实现对FPGA的在线配置
• 4.4.10 ARM微控制器系统的电路实现
• 4.5 恒流源的设计
• 4.6 USB通讯接口
• 4.6.1 USB简介
• 4.6.2 ISP1161A1简介
• 4.6.3 USB接口电路的设计
• 4.6.4 USB硬件接口程序的设计
• 4.6.5 USB中断服务程序的设计
• 4.7 EIT数据采集系统电路板
• 5 实验结果
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:作者攻读硕士学位论文期间发表的文章