基于FPGA的生物电阻抗成像系统激励源设计与实现_陈晓艳
基于FPGA+AD9365的信号干扰源设计与实现
Telecom Power Technology研制开发9365的信号干扰源设计与实现吴伙土（厦门市合佳兴电子有限公司，福建厦门FPGA 7Z035-2FFG676I的PS对AD9365进行相应参数的配置和对外用户接口，同时关闭端把信号干扰源数字基带送给Design and Implementation of Signal Jamming Source Based on FPGA+AD9365WU Huo-tuXiamen Hejiaxing Electronic Co.，Ltd.，XiamenThe core chip of the interference source is composed of FPGAof ADI. The PL of FPGA generates the digital baseband of signal interference source. The PS of FPGA configures the corresponding parameters and external user interface of AD9365，and turns off the receiving function of AD图1信号干扰源系统框图中，FPGA为整个系统的主控芯片。
过SPI对AD9365进行相应的参数配工作在所需要的频点、带宽和发射PL采用折线逼近方法[4]，快速产生高斯白噪声序列，然后把数字基带信号通过CMOS数据接口模式发送给AD9365。
DDR3为系统运行所需的用来存储系统bin文件[5]。
用户接口包含用户按指示灯，用来控制系统工作和系统工作状态指示。
电池和充电管理模块中，电池通过电源管理芯片给整个系统提供各路所需不同电压的供电，且用户可以对电池充电。
图2 Transmit滤波器设置参数图2中ADC和DAC、Data Clock、FIR、HB1、HB2、HB3的参数必须与上面AD9361 Evaluation Software的GUI中一致。
基于FPGAIP核的FIR设计与实现
佳的频率特性和衰耗特性 ， 无论通带还是阻带都
较 为平坦 ， 过渡 带窄 ， 好地接 近理 想滤波 器 的响 更
应。
须确 保 已 经 安 装 了 Ｄ Ｐ Ｂ ｉ ｅ 具 。进 入 Ｉ Ｓ ｕｌ ｒ工 ｄ Ｐ
（ 方通 用 电子集 团有 限 公司微 电子部 苏州 ２５６ ） 北 １１３ 摘 要 随着数 字 电路技 术 的 高速 发展 和 高性 能 Ｆ Ｇ 的普及 ， ＰＡ 为解 决二 频 机械 抖 动偏 频激 光 陀
螺 中的 因机械 抖动 带 来的信 号噪 声提 供 了新 的选择 和方 法 。ＦＲ滤 波 器可 以满足 系统对 幅度 和相 位特 Ｉ 性 的严 格要 求 ， 免 模 拟 滤 波 器 的温 漂 和 随机 噪 声 等 问题 ， 避 而且 具 有精 确 的线性 相 位 和稳 定 的 系统。
免费 Ｉ ｏｅ 同 时结 合 Ｍａ ｗ ｒｓ 司 的 ＭＡ ． Ｐ Ｃ ｒ， ｔ ｏｋ 公 ｈ Ｔ
数字低通滤波器是对高速采样 的数据进行滤
波， 滤除掉 机抖 陀螺 输 出信 号 中随机 抖 动 和其 他 因素 造成 的高频 噪声 。 由于二 频机抖 陀螺 的抖动 频 率一 般 在 ３０ ｚ～ ０ Ｈ 左 右 ， 速 采 样 频 率 ０Ｈ ４０ ｚ 高 选 为 １Ｈ ， 以满 足 采 样定 理 要 求 。１Ｈ ｋ ｚ可 ｋ ｚ的定 时采样信 号可 以在 Ｆ Ｇ 内对 时钟使 能 得到 。数 ＰＡ 字低通滤 波器 采用 ＦＲ中的等波纹 逼近法 进行设 Ｉ 计， 设计 指标 ： 采样 频率 为 １Ｈ ， ｋ ｚ通带下 限截止频 率为 １０ ｚ阻带 上 限截 止频 率 为 ３０ ｚ且 通 带 ０Ｈ， ０Ｈ ， 内波 纹 小 于 ０ ００ｄ 阻 带 内 幅 度 衰 减 大 于 ． ０ １Ｂ，
基于FPGA的超声波成像系统设计
基于FPGA的超声波成像系统设计作者：叶先万刘聪鑫胡霄吴松和来源：《锋绘》2018年第03期摘要：文章自主设计了一种超声波成像系统，采用超声波激发电路发射窄脉冲信号，激励微型电容式超声换能器向目标检测物体发射超声波信号，采用收发隔离电路接收目标检测物体反射回的回波信号，结合FPGA模块对回波信号的处理，大大提高了信号处理速度，及成像效率。
关键词：超声波成像；超声换能器；FPGA处理随着科技的进步，超声波成像技术广泛应用于人类生活的各个领域，在医学诊断、无损检测、超声显微镜和水下探测等多个领域内均发挥着重要的作用。
超声成像系统的性能取决于超声换能器、信号处理电路、图像处理的方法和声学封装的技术水平。
其中超声换能器能够发射超声波和检测超声波，实现电声转换和声电转换，是超声成像诊断设备的核心部件，所以超声换能器的发展对提高超声检测技术和设备的发展起着决定性的作用。
但现有的超声波成像装置中大多数利用传统的压电式超声波换能器，由于种种限制已不能满足现代超声检测的需求。
基于此，文章利用微电容式超声波换能器，通过回波处理电路等模块，利用FP-GA+ARM的异构系统，完成数字波束合成，解调和检波等信号处理，最终实现成像。
1 总体设计设计系统的核心控制方式采用FPGA与ARM异构，其中选用的是Altera公司的DE2-70开发板，ARM处理芯片选用的是ST公司的STM32F系列开发板，总体结合FPGA的强大运算能力和ARM高效的处理能力，使设计系统具有高效的工作性能。
整体设计框图如图1所示。
首先电源模块的作用为给电路中各个模块进行供电用来保证电路持续稳定工作。
超声波激发电路能够产生尖锐的高压脉冲信号，可以用来激励超声波换能器发射定向超声波。
发射出的超声波信号与被测物体接触后会产生回波反射信号，接收回波前，该信号先要经过一个收发隔离电路用于分隔入射波与反射波，阻止高压发射脉冲进入回波接收电路。
由于超声系统成像时，经物体反射回来的超声波衰减严重，回波信号比较微弱，故需要利用一个低噪声放大器对回波信号进行适当的放大，增大信噪比。
生物电阻抗成像技术在医学中的应用
生物电阻抗成像技术在医学中的应用
唐化勇;牟永阁;杨常运;崔长安
【期刊名称】《吉林医药学院学报》
【年(卷),期】2000(000)003
【摘要】近年来，一种基于生物组织电学特性的成像技术，电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)得到了迅速发展，这种技术除了能够
实现CT、MRI和超声等几种医学成像技术相类似的功能外，还可以得到反映生物组织生理状态短时变化的图像，在研究人体生理功能和疾病诊断方面，有重要的临床价值和广泛的应用前景。
【总页数】1页(P)
【作者】唐化勇;牟永阁;杨常运;崔长安
【作者单位】吉林军医学院
【正文语种】中文
【中图分类】R445.9
【相关文献】
1.电流密度成像及其在生物电阻抗成像中的应用 [J], 高诺;朱善安;邹凌
2.生物医学电阻抗成像技术 [J], 陈晓艳;顾鹏;常晓敏
3.生物电阻抗成像技术在医学中的应用 [J], 唐化勇;牟永阁;杨常运;崔长安
4.中南大学生物医学工程研究院简介生物医学工程学是一门生命科学与工程技术相结合的具有高度综合性的学科。
它所包含的分支领域有：基因工程、组织工程、医疗器械、生物力学、光电子学、材料学、生物信息学、计算机应用、纳米生物技术、
人工器官、康复医学、医学成像技术等。
是 [J],
5.中欧专家牵手应对生物医学技术发展中的伦理困惑——生物医学和生物技术研究的伦理管理研讨会·第一次研讨在京召开 [J], 刘海客;李恩昌
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一种人体阻抗测量模块的自校准方法
一种人体阻抗测量模块的自校准方法朱晗琦;马艺馨;苗枥文【摘要】为了减小系统误差，提高系统的测量准确度，本文提出了一种人体阻抗测量模块自校准方法。
该方法基于系统测量结果的线性度，在系统初始化后，通过对系统内部自带电阻网络的测量得到系统对被测电阻的测量值，再结合系统内部已存的被测电阻真实值，采用最小二乘法拟合出被测电阻测量值与真实值关系直线，获取系统误差的线性校正参数，并将参数用于后续阻抗的解调算法中，实现自校准。
实际测试表明，该方法操作便捷，有效提高系统的测量准确度，具有较强的实用价值和借鉴意义。
%In order to minimize the system error and improve the accuracy, an auto calibration method of the human body impedance measurement system based on bioelectrical impedance analysis is put forward in this paper. Considering the linearity of the measuring result, the system measures inner resistance networks after initialization and does linear regression between measured values and real values with least square method to get calibration coefficients. The system will then automatically take the calibration coefficients to calculate the measured resistances, which realizes the auto calibration of the whole system. And according to the experiment result, this method is easy to realize and effective, which has certain application and reference value.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2016(024)023【总页数】3页(P130-132)【关键词】生物电阻抗;人体阻抗测量;最小二乘法;自校准;线性校正参数【作者】朱晗琦;马艺馨;苗枥文【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TN98生物电阻抗技术[1-2]是一种基于生物组织电特性的无损伤检测技术，在临床疾病诊断、病理检测、呼吸过程监测、人体成分分析等领域都有广泛的应用或者应用研究。
基于DSP和FPGA的智能信号源设计
Ｃ ｃ ｎ Ｉ ｙｌ ｅＩ系列 器件 是 Ａ ｅａ 成 本 Ｃ ｃ ｎ ｏ ｈｒ 低 ｙｌ ｅ系 ｏ 列 的第 二代 产品 Ｅ ，ｙｌ ｅＩ器 件大 量应 用于 消费 ６ Ｃｃｏ ３ ｎ Ｉ
电子、 电信和无线 、 计算机外设 、 工业和汽车等领域 。
高 精度 Ｄ Ａ芯片选 用 Ｄ Ｃ ８３ Ｄ Ｃ ８３为 Ｂ Ａ ８０ ， Ａ ８０ Ｂ 公司的 电流输 出型 １ ４位 串 行 Ｄ 建 立 时 间 ０５ Ａ， ． ｓ 。外 接 ５Ｖ基 准 源 ， 用 双 极 性 电路 输 出 一５Ｖ 采
系列 Ｆ Ｇ 以及高精度 Ｄ Ａ的设计 方案 。设计 中通过消 除累积误差来提高频率精度 ， ＰＡ ／ 并利用 Ｌ ｗａ ｄ电流源实现 了小信号的 ｏ ｌｎ
远距 离传输。实验证 明： 该信号频率和 幅值精度满足指标要求 ， 解决 了传统 信号发生器 不能输 出波形 组合 的不足。现 已成功
运用于某型号激光接收机 的测试。 关键词 信号源 ｏ ｌｎ Ｌｗａｄ电流 源 Ｔ ３ ８ １ Ｐ ６． ； ＤＰ Ｓ ＦＧ ＰＡ Ａ 中图法分类号 文献标志码
第１ ２卷
第 ７期
２ １ ３月 ０ ２年
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ ＿ ２ Ｎｏ ７ Ｍａ ．２ １ ｌ１ ． ｒ ０２
１７ — １ １ （ ０２ ０ —５ ４０ ６ １ ８ ５ ２ １ ） ７ １０ —４
Ｓ ｉｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｇｎ ｅｉ ｇ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ
足 ， 出 了一种基 于 Ｔ ３ ０ ２ ３ ５和 Ｃ ｃｏｅＩ 系 提 ＭＳ ２ Ｆ ８ ３ ｙｌ Ｉ ｎ
＋ ５Ｖ的信号。硬件 电路包括 供 电部分 、 Ｓ３ Ｒ ２２
基于FPGA的医用超声内窥镜成像系统的同步控制
基于FPGA的医用超声内窥镜成像系统的同步控制陈晓冬，肖哲，郁道银（天津大学精密仪器与光电子工程学院，教育部光电信息技术科学重点实验室，天津 300072）摘要：本文介绍了医用超声内窥镜成像系统的工作原理及超声成像驱动控制系统的设计与实现。
根据超声成像系统指标，主要讨论了超声波激发、接收电路原理及具体的电路；现场可编程逻辑阵列（FPGA）作为核心控制模块完成对数据传输和相关电路及芯片的控制，主要实现了对超声波的发射、接收、AD转换以及成像部分同步控制，电路的性能已得到实验的验证。
关键词：医用超声内窥镜；超声成像；同步控制；现场可编程逻辑阵列（FPGA）Synchronous Control of Ultrasonic Imaging System for UltrasonicEndoscope Based on FPGAChen Xiaodong, Xiao Zhe, Yu Daoyin,(College of Precision Instrument & Opto-electronic Engineering, Tianjin University , Opto-electronic Information Science and Technology Lab. MOE, Tianjin 300072 ,China)Abstract: This paper introduces the ultrasonic imaging system for ultrasonic endoscope and illuminates the study and implementation of driving control System for ultrasonic imaging. On the basis of ultrasonic imaging system, we concretely design the emission circuit and receiving circuit. The control performances have been validated by experiments. As the Field Programmable Gate Array (FPGA) being the core of this system, the paper describes the synchronous control among the ultrasonic emission、receiving、analog-to-digital conversion and ultrasonic imaging. An FPGA is used as the kernel module to control the data transferring、related circuit and chips working.Keywords: Medical ultrasonic endoscope; Ultrasonic Imaging; Synchronous control; Field Programmable Gate Array (FPGA)医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术的不断发展和融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[1]。
基于FPGA的电磁无损检测系统的设计与实现的开题报告
基于FPGA的电磁无损检测系统的设计与实现的开题报告标题：基于FPGA的电磁无损检测系统的设计与实现一、选题背景电磁无损检测技术是一种应用广泛的非破坏性检测方法，主要用于检测各种材料内部的缺陷和损伤，如裂纹、孔洞等。
随着科技的不断发展，电磁无损检测技术已经成为了各个领域中不可或缺的检测手段之一。
现阶段，电磁无损检测技术主要采用计算机数字化处理技术进行信号处理，但存在复杂度高、响应速度慢、计算耗时长的不足。
因此，为了满足电磁无损检测系统对响应速度和计算能力的要求，可以采用FPGA进行信号处理。
FPGA具有高效性、可重构性、低功耗等优点，能够有效地提高系统的处理速度和响应能力。
二、研究目的本课题旨在设计一种基于FPGA的电磁无损检测系统，利用FPGA的高效性和可编程性对电磁信号进行实时处理，快速地检测材料内部的缺陷和损伤，提高信号处理速度和检测准确度。
三、论文结构本论文首先介绍电磁无损检测技术的基本原理和应用领域，分析传统无损检测方法的不足之处，然后介绍FPGA的基本原理和特点，分析其在电磁无损检测中的应用优势。
接着，设计基于FPGA的电磁无损检测系统的硬件架构和信号处理流程，并详细阐述各个模块的功能和作用。
最后，进行实验验证，比较实验结果和传统无损检测方法的差异性和优劣性，证明该系统的可行性和有效性。
四、研究内容和技术路线本课题的研究内容主要包括：1. 基于FPGA的电磁无损检测系统硬件设计和实现。
2. 电磁无损检测信号的采集和预处理。
3. 电磁信号的数字化处理和特征提取算法的设计。
4. 实验验证和性能测试。
技术路线如下：1. 确定电磁无损检测系统的硬件架构和信号处理流程。
2. 设计并实现数据采集模块、信号预处理模块和信号处理模块等。
3. 开发并优化电磁信号的数字化处理和特征提取算法。
4. 利用实验平台进行实验验证和性能测试。
五、可行性分析本课题采用的技术路线和方法已经有前人经验和相关研究支持，因此具有较高的可行性。
基于FPGA_的矩阵式MEMS_传感器数据同步采集系统设计＊
科技与创新｜Science and Technology & Innovation2024年 第06期DOI ：10.15913/ki.kjycx.2024.06.017基于FPGA的矩阵式MEMS传感器数据同步采集系统设计＊邵依依，陈 琴，徐豪怿，戴志晶，卜 峰（苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏 苏州 215104）摘 要：消费级MEMS （Micro-Electro Mechanical System ，微型电子机械系统）惯性传感器使用广泛，成本低但精度相对较差。
使用多个消费级MEMS 传感器构成传感器矩阵，通过数据融合算法提高精度是一种有效方法，其中对矩阵式多传感器数据的同步采集是关键。
为此，设计了电平转换电路，基于FPGA （Field Programmable Gate Array ，现场可编程门阵列）构建了多达32路的实时同步数据采集系统，为实现高精度的矩阵式惯性传感器组件提供了一种解决方案。
关键词：MEMS 传感器；FPGA ；矩阵式；数据同步采集中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）06-0062-03——————————————————————————＊［基金项目］2023年江苏省职业院校学生创新创业培育计划项目（编号：G-2023-1602）；2023年苏州市职业大学研究性课程项目（编号：SZDYKC-230701）目前，自动驾驶等技术蓬勃发展，其中高精度导航定位是实现自主导航的关键技术[1]。
对于车辆系统而言，考虑成本与功耗等因素，采用惯性导航是切实可行的方案之一。
MEMS 惯性传感器包含陀螺仪和加速度计，用于测量在惯性系统下的加速度和角速度信息，是微惯性导航系统中的关键器件。
MEMS 惯性传感器具有成本低、功耗低、体积小、易于集成等优势，在导航定位中应用广泛。
由于消费级MEMS 惯性传感器在精度、长时间漂移方面存在缺陷，测量误差较大，难以满足车辆导航需要[2]。
基于FPGA的EMT系统设计
基于FPGA的EMT系统设计王超;张军青;徐传进【摘要】为了提高电磁层析成像(EMT)系统的性能,设计了一套基于FPGA的EMT 系统.DDS模块、数字解调模块、MCU控制模块、DA接口模块、AD接口模块和USB通信模块均集成在一块FPGA芯片中.分析了激励频率、采样频率和MAC IP 核累加点数3者对解调过程的误差的影响,提出了通用的设计原则.通过信噪比实验对系统进行了评价和激励频率的优选,采用基于截断奇异值的反投影法获得不同分布的重建图像,其成像速度达到了27帧/s.高度的集成化提高了系统的稳定性,降低了调试难度.该系统设计方案也可以移植到EIT、ECT和ERT系统.%An electromagnetic tomography (EMT) system based on FPGA is designed in order to improve the system performance. DDS module, digital demodulation module, MCU control module, DA interface module, AD interface module and USB communication module are integrated in one FPGA chip. The influence of excitation signal frequency, sampling frequency and accumulation number of the MAC IP core on demodulation is analyzed, and a general principle is proposed in this paper. The system is evaluated and an optimal frequency of excitation signal is selected based on the experimental analysis of signal noise ratio. A back-projection algorithm based on truncated singular value is selected to reconstruct different distribution, and the speed of reconstruction reaches 27 frame/s. High integration increases the system stability and decreases the difficulty of debugging. The system design proposed in this paper can be applied to EIT, ECT and ERT systems.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2011(044)002【总页数】6页(P95-100)【关键词】电磁层析成像;现场可编程门阵列(FPGA);数字解调;图像重建【作者】王超;张军青;徐传进【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TP216电磁层析成像(electromagnetic tomography，EMT)或互阻抗层析成像(mutual inductance tomography，MIT)技术，是 20世纪 90年代开始发展的一种基于电磁感应原理的过程层析成像技术，和其他电学成像(electrical tomography，ET)技术一样，具有非侵入式测量、结构简单、响应速度快等优点[1]．同时，EMT技术具有可同时获取导电率和导磁率2个模态信息的特点．目前，已有多个EMT系统被设计．Williams等[2]设计了一种多电极的EMT系统，使用12个激励线圈与12个检测线圈交叉排列，使用相敏检测．Ma等[3-5]设计了8线圈的EMT系统，采用模拟解调方法，由数据采集卡采集至 PC中，利用LabVIEW 开发了上位机软件，并对钢铁连续铸造过程中的流态进行了成像．2008年，Watson等[6]设计了一套用于对低导电率(＜10,S/m)物质进行成像的系统，采用了 PC机通过GPIB接口来控制数字锁相放大器的系统构成方案．Vauhkonen等[7]也设计了一套 16线圈的对低导电率物质(＜5,S/m)成像的系统，该系统使用了并行测量策略，通过 PCI接口将采集数据上传到上位机中，然后用LabView进行进一步处理．上述 EMT系统仍主要以模拟解调为主，结构复杂，给开发和调试带来了困难．为此，笔者设计了以FPGA为核心的 EMT系统，并引入 Xilinx公司的PicoBlaze软核，完成解调、USB通信、PGA增益和线圈工作模式控制、选通及调理板电压增益选择，提高了整个系统的集成度．1 EMT系统基础EMT以Maxwell方程组为基础．由于一般采用的激励频率较低，故可以忽略位移电流的影响，即如果被测场是线性、均匀且各向同性的，则定义矢量磁位A，其满足由式(1)～式(4)可以得到由式(5)可知：在 EMT系统中，不同的导电性或导磁性物质的存在都会影响矢量磁位的分布．EMT系统一般包括空间传感器阵列(包括激励线圈和检测线圈)、数据采集电路和图像重建计算机．传感器均匀地分布在被测物场的边界，在激励线圈内通入交变电流产生激励磁场，根据电磁感应原理，物场中的导磁物质会产生感应磁场，而导电物质则会产生电涡流，这些都会对原有激励场产生调制作用，二者叠加起来会在分布于物场边界的检测线圈中产生不同幅值和相位的感应电势，由数据采集电路来采集传感器的电压信号，进行滤波解调处理，然后上传至上位机中运用一定的图像重建算法来重建被测物场空间的导电率和导磁率信息．2 传感器和硬件电路设计EMT系统通过检测线圈的感应信号，通过图像重建算法得到反映被测物场空间电导率σ和磁导率μ分布情况的二维或三维图像．笔者设计的 EMT系统由传感器、数据采集控制电路和成像计算机3部分组成．2.1 传感器设计系统采用 8线圈结构，平均分布在管道的周围，传感器的线圈尺寸和分布如图1所示．图1 传感器线圈分布和尺寸Fig.1 Arrangement and size of the sensors为了保证线圈的一致性，在绕制过程中，利用安捷伦公司的阻抗分析仪Agilent 4294A对典型频率下的阻抗进行测量，最终形成的各线圈的阻抗幅值相对误差小于0.14%，阻抗相角相对误差小于0.01%．2.2 数据采集控制电路设计数据采集控制电路设计是获得良好系统性能的关键，本设计的基本思路是提高系统集成度，尽可能地减少芯片使用数量．以此为目标，本系统以 Xilinx的 Spartan-3,FPGA为整个数据采集硬件电路的核心，DDS(direct digital synthesizers)、数字解调和外围电路控制等均由该芯片实现，使得系统的可靠性大幅提高，且降低了硬件设计的难度．数据采集控制电路部分由 1块控制板、1块激励信号调理板和4块检测信号调理板组成，见图2．FPGA内部的 DDS模块产生 14位的正弦数字序列，通过 AD9754转换为模拟信号，再经滤波和功率放大后，获得激励电流．FPGA内部的 MCU控制模块发出控制信号，经过模拟开关(MAX4656)选通其中 1个线圈作为激励线圈，而其余 7个作为检测线圈．激励电流的测量通过测量功率电阻两端的电压差间接获得．重建1帧图像需要的数据是7×8×4×16,bits＝224,bytes.以1,000帧/s的数据采集速度计算，数据传输接口每秒的数据量约为224,kB．在本系统中，使用了USB 2.0接口，其实际传输速率约为30,Mb/s，足以满足要求．在激励信号作用下，其余 7个线圈产生感应电压，在 MCU的控制下通过模拟开关依次选通到感应电压测量通道．由于线圈的感应电压信号较微弱，因此，在输入到控制板之前，在调理板上设计了4级放大电路，其放大倍数分别为 50、550、1,721和 2,290．对采集到的电压进行多级放大，判断每一级的输出，选择最合适的一级电压输出通过多路选择器输入到控制板中．为了滤除噪声的影响，在第二级放大电路处同时设计了一阶RC滤波电路．调理板上的激励电流信号和感应电压信号输入到控制板上后，由 PGA可编程增益放大和抗混叠滤波处理后，经 AD9240的模数转换生成 14位的数字信号输入到FPGA中．图2 系统逻辑示意Fig.2 Logic block diagram of the system测量结果通过 USB接口芯片(CY68013A)上传到上位机中进行成像．CY68013A 包含了 CPU、RAM、SIE(串行接口引擎)、DMA、FIFO 和 GPIF 模块，为了最大限度地提高数据的传输速度，在本系统中使用了该芯片的从属 FIFO工作模式，其工作时不需要CY68013A内部CPU参与处理USB数据，而是经由CY68013A内部端点FIFO传输，由FPGA作为其外部数据处理逻辑设备参与控制其数据传输，包括产生握手信号、读写信号等．在本系统中，解调模块解调产生 4个 16位的信号，即电流实部、电流虚部、电压实部、电压虚部，所以3 FPGA设计在本系统的FPGA内部实现了多模块的集成，包括DDS模块、DA接口模块、数字解调模块、AD接口模块、MCU控制模块和 USB通信模块．通过各个模块的协调，完成数字解调和外围电路控制．FPGA内部各模块的逻辑框图如图3所示．本系统采用了Xilinx公司的DDS IP核在FPGA内部来实现 DDS，可以使用最小的 FPGA 资源产生高动态范围的信号，其无杂散动态范围(SFDR)在 18 dB～115,dB之间，能够很好地满足本系统的要求．以DDS产生的正余弦数字序列为参考信号，将外部模数转换器采集到的激励电流信号和感应电压信号分别解调．设输入信号频率为f，采样频率为 fs，使得fs = Nf (N ≥ 2 ) ．对信号采样q 个周期，总采样点数为M = Nq．设输入信号、正弦参考序列和余弦参考序列分别为则 Vs(k)和 Vrs(k) 的互相关系数 Rxrs 、Vs(k) 和 V rc(k) 的互相关系数 Rxrc 分别为Rx r s和 R x r c分别表示同相输出和正交输出，则有式中φ是采样起始时刻的信号相位．由式(7)、(8)可知，解调中的主要计算量在乘累加过程，本系统使用的FPGA具有16个18×18位的ASIC型的乘法器，每一个时钟周期可完成一次乘法运算，可利用以此为基础的Xilinx公司的MAC IP核来实现乘累加的过程，保证了正交解调的实时性．DDS IP核产生的正弦和余弦序列作为解调的参考信号，从而消除了产生频率偏移的可能性．在本系统中分别搭建了激励电流解调模块和感应电压解调模块，通过解调求得电流实部、电流虚部、电压实部和电压虚部，均为16位信号．图3 FPGA内部各模块逻辑示意Fig.3 Logic block diagram of FPGA modules MAC IP核实现了如下操作：若输入的数字信号 SA为a位，SB为b位，累加点数为M，则输出信号 Q的满分辨率位数为a+b + l b M位，如果M不是2的整数次幂，则Q的满分辨率输出位数不是整数位，就会引入解调计算误差，因此，激励频率和采样频率在选择时应依据如下原则．选择原则解调操作应满足整周期采样，采样周期数为q，累加点数M = q 应为2的整数次幂．FPGA内部模块以及外围电路的协调与控制由Xilinx公司的 PicoBlaze软核完成．外部信号通过AD接口模块输入到数字解调模块中，PicoBlaze控制解调操作的复位、使能、启动等，当 1次解调完成后，数字解调模块产生 1个脉冲输出，输入到 PicoBlaze的中断输入端，触发 1次中断．在中断程序中，对USB通信模块进行写操作，即将数字解调模块产生的解调结果写入到 USB通信模块中．写完后PicoBlaze自动启动下一次解调操作．当写入USB通信模块的数据达到1帧时，PicoBlaze发出 1个帧结束符，生成1个数据包发送到上位机中．PicoBlaze还对控制板上的PGA和检测信号调理板上的模拟开关和多路选择开关进行了控制．通过对 PGA增益的控制，实现了对信号的可编程增益放大；通过对模拟开关的选通实现了线圈工作模式的切换；通过对多路选择开关的控制实现了不同增益、不同通道的选择．4 实验与评价图 4为实际设计的系统．为了评价系统性能，分别进行了信噪比和图像重建测试实验．图4 系统实物照片Fig.4 Photo of the system4.1 信噪比对于 EMT系统的信噪比，一般的方法是连续采集n帧测量数据，计算相应数据的平均值与标准方差的比值，并取对数．在 2.441～625 kHz的激励频率下，分别连续采集 1,000帧空场下的数据，按照式(12)计算 56个通道的信噪比，用其平均值表示系统的信噪比，即.抽取 2.441、9.765、39.062 5、156.25和625,kHz下的测试结果，如图5所示．由图5可知，在频带2～625 kHz范围内，系统的平均信噪比能够保持在 40,dB 以上，其中，当频率为9.765,kHz时，其平均信噪比达到了 64.4,dB，因此，图像重建在此激励频率下可获得较清晰的图像．图5 不同频率下的平均信噪比Fig.5 Average SNR at different frequencies当工作频率较低时，激励线圈辐射的能量较小，因此检测线圈所获得信号的幅值也相对较小；随着工作频率的增大，激励线圈辐射的能量相应提高；然而，线圈之间的耦合效应也加剧．由于线圈间存在着分布电感、电容，激励信号将产生泄漏，因此信噪比下降．综观上述情况，应设计最优激励频率信号，与被测介质达到最佳匹配，以提高系统的信噪比．4.2 成像结果为验证系统，采用基于截断奇异值的反投影法[8]，对不同的分布情况进行了成像实验，如图6所示．图6 成像结果Fig.6 Image reconstruction results由图 6可知，本系统的成像效果较好，能准确地跟踪铝棒的位置．由于采用的基于截断奇异值的算法是定性的成像算法，在复现铝棒的大小和形状时精度不够高，但在实验4中直径小的铝棒在重建图像结果中体现了和直径大的铝棒不同颜色的特征．本系统的激励频率为 9.765,kHz，采样率为10,MHz，故每个周期采样 1,024个点，MAC IP核中设置了累加点数为 4 096，故解调 1组数据需花费 4个激励信号周期．然而，由于测量电路需要进行通道切换，ADC的输入信号需要一定的稳定时间，同时，本系统采用了过零检测方案，即在每次正弦激励信号由负向正变化时开始 1次新的解调，所以实际解调 1组数据需花费5个周期．该EMT系统是一套8线圈系统，1帧数据共包含56组数据，所以采集1帧数据花费的时间为，相当于这套EMT系统的数据采集速度约为34.9帧/s．如果将测量数由56个减少为28个独立测量值，数据采集速度可以达到69.8帧/s．由于上位机在算法实现时也要花费一定的时间，经测试，该系统的实际成像速度为 27 帧/s．5 结语介绍了一套基于 FPGA的电磁层析成像系统．该系统以一块 FPGA为核心，实现了高度的集成化，减少了芯片的使用数量．该EMT系统为8线圈系统，使用了1块控制板、1块激励信号调理板和 4块检测信号调理板的电路布局策略，未来如需增加传感器线圈数量，只需增加检测信号调理板的数量即可，具有非常好的通道扩展能力．由于 EMT在激励线圈时需要大电流，所以其激励信号和电阻层析成像(electrical resistance tomography，ERT)、电容层析成像(electrical capacitance tomography，ECT)和电阻抗层析成像(electrical impedance tomography，EIT)技术不同．如果要将该系统移植到其他 ET技术中，只要更改相应的激励信号调理板，控制板和检测信号调理板可以复用，从而可以极大地降低开发的难度．在本系统中，使用了 Xilinx公司的 PicoBlaze软核，由于PicoBlaze只是8位的微处理器，所以无法实现特别复杂的功能．Xilinx公司在微处理器上提供了强大的技术支持，其芯片集成了功能更加强大的PowerPC硬核和32位的MicroBlaze软核．未来可以在现有系统的基础上，开发基于 PowerPC或者MicroBlaze的嵌入式系统，利用FPGA完成外部电路控制、数字解调、图像重建和图像显示的全部任务，从而构建基于 FPGA的片上系统 SoPC(system on a programmable chip)．【相关文献】［1］Griffiths H. Magnetic induction tomography[J]. Meas Sci Technol，2001，12(8)：1126-1131.［2］Williams R A，Beck M S. Process Tomography Principles，Techniques and Applications[M]. Oxford：Butterworth Heinemann，1995.［3］Ma X，Peyton A J，Higson S R，et al. Hardware and software design for an electromagnetic induction tomogramphy(EMT)system for high contrast metal process applications[J]. Meas Sci Technol，2006，17(1)：111-118.［4］Ma X，Peyton A J，Higson S R，et al. Development of multiple frequency electromagnetic induction systems for steel flow visualization[J]. Meas Sci Technol，2008，19(9)：094008.［5］Ma X，Higson S R，Lyons A，et al. Development of a fast electromagnetic induction tomography system for metal process applications[C]//4th World Congress on Industrial Process Tomography. Aizu，Japan，2005：197-201.［6］Watson S，Williams R J，Gough W，et al. A magnetic induction tomography system for samples with conductivities below 10 S m-1[J]. Meas Sci Technol，2008，19(4)：045501.［7］Vauhkonen M，Hamsch M，Igney C H. 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第32卷第1期2011年1月微 计 算 机 应 用M I C ROCOM P UTER APPL I C AT I O NSV ol 32N o 1Jan 2011基于FPGA的生物电阻抗成像系统激励源设计与实现*陈晓艳 吴佳妮(天津科技大学 电子信息与自动化学院 天津 300222)摘要:设计并实现一种基于FPGA的生物电阻抗断层成像系统的激励源,带宽为33KH z且相位可调。
在N otepad++中根据P icoB l aze指令系统编写控制代码,经K CPS M3编译生成用户程序,采用中断方式控制数模转换并按设定频率对输出信号进行采样,经巴特沃斯二阶低通滤波输出。
结果:仿真与实验结果证明了该方法有效、可行。
本文为生物电阻抗断层成像系统激励源的设计实现提供了一种新方法,具有编程量小、开发时间短及出错概率低的优势。
关键词:电阻抗成像系统 激励源 FPGA 巴特沃斯滤波器FPGA Based Excitati on Source i n B io medicalE l ectrical I mpedance To m ography Syste mC HEN X iaoyan,WU Jian i(T ianji n U n i versity o f Sc i ence&T echno logy,Schoo l o f E l ec tron i c and A uto m ati on,T ian jin,300222,Chi na)Abstrac t:Sub j ect:A n exc itati on source for bio m edical e l ec trical i m pedance tomog raphy syste m based on FPGA is desi gned and i m ple-m ented w ith33KH z bandw idt h and ad j ustab l e phases M ethod:Codes are prog ramm ed by P icoB l aze i nstructi ons by N otepad++,and comp iled t o use r prog ram s by K CPS M3asse m bler D i g ita l-ana l og conv ers i on i s carried out i n i nterrupti on subrouti ne,and t he output d i g ita l si gnals are sa m pled at the setti ng frequency,and filtered by a second-order Butte r wo rt h l ow-pass filter R esults:the propo sed m ethod offer a nove l effec ti ve and feasible approach to sa tisfy the require m ents of ex cita ti on source i n bi o electr i ca l i m pedance to m o-g raphy syste mK eywords:E lectr ica l i m pedance to m ography,ex cita tion source;FPGA,Bu tter w orth filter电阻抗断层成像是继形态、结构成像之后,于近30年发展的新一代医学成像技术。
它具有功能成像,无损伤监测等突出优势,是一种理想的、具有诱人应用前景的生物信息检测与成像手段[1,2,3]。
电阻抗断层成像系统由电极阵列、数据采集系统和图像重构三部分构成。
数据采集系统中,激励源信号的精度、稳定性、信噪比影响着数据采集系统的精度、准确性和后续图像重建的效果[4,5]。
目前,构造电阻抗断层成像系统的激励源有三种方法: 选用高集成度DDS芯片实现DA转换与低通滤波,获得激励源,如AD9835[6]。
运用小规模CPLD/FPGA与外部DA转换器实现DDS功能[7]。
基于MATLAB建立DDS模型产生VHDL描述语言,再在ISE中编写仿真和控制程序[8]。
与上述三种方式不同的是,本设计通过Spartan3E Starter K it开发板,直接调用X ili n x提供的I P核DDS编译器,并在FPGA中嵌入P icoB laze微处理器直接控制DDS模块、数模转换模块,通过低通滤波,获得带宽为33KH z且相位连续可调的激励源。
从整个电阻抗成像系统硬件设计角度,该方法可降低开发成本,减少编程量,节省开发时间,提本文于2010-09-17收到。
*基金项目:天津市科委自然科学基金(08J CYB J C03500),天津科技大学人才启动基金(20090411)。
1期陈晓艳等:基于FPGA 的生物电阻抗成像系统激励源设计与实现高开发的进度。
1 系统结构考虑FPGA 在运算、存储、逻辑资源、I P 核等方面的优势,以及Spartan 3E Starter K it 开发板提供的可用资源[9],设计了应用于电阻抗成像系统的激励源,其结构如图1所示。
图1 激励源结构图图1中,PicoB laze 作为控制核心实现数据转换、数据处理与数据通讯等控制功能,LTC2624是12位数模转换器,LPF 是低通滤波器。
工作过程是:将DDS 模块中的正弦数字量经过码制变换后由SPI 接口发送至LTC2624进行数模转换,转换结果中存在的高频分量经巴特沃斯二阶低通滤波器滤波处理,最后输出平滑正弦模拟信号。
2 激励源的实现2 1 硬件实现2 1 1 DDS 模块实现直接数字频率合成器(D irect D i g ital Syn t h esizer ,简称DDS)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。
X ili n x 公司开发软件提供了I P 核DDS,在DDS 编译器中设置相位、带宽及频率。
设计中设置DDS 时钟频率为100KH z ,无杂散动态范围为72DB ,频率分辨率为0 0234H z 。
其中,频率与相位的设定是由相位增量控制字PI N C 与相位偏移量控制字POFF 所决定的。
相位增量控制字PI N C 与输出频率的关系为P I N C = =2B n f ou t f clk (1)其中,B n 为相位累加器的宽度,f out 为输出频率,f clk 为输入频率。
相位偏移量控制字POFF 与初始相位的关系为POFF =2B n2 (2)其中, 为初始相位。
通过改变相位增量控制字POFF 实现相位连续可调。
由于DDS 模块输出的数字量是计算机补码形式,而LTC2624数字量输入信号为原码,所以正弦波数字量在从FPGA 内部向外输出之前需要进行转换,以满足数模转换输入信号要求。
2 1 2 P icoB laze 处理器端口分配为实现对各模块及接口的控制,设计中使用了Pico B laze 软核[10],由于PicoB laze 软核仅占FPGA 中可编程资源slices 的2 5%,块程序存储器BRAM 的5%,所以用户可利用资源比较丰富。
由于PicoB laze 提供了256个输入输出端口地址,设计中端口的分配与功能如表1所述。
21微 计 算 机 应 用2011年表1 P icoB laze 端口地址分配表端口地址端口功能02H读正弦数字量低8位10H读正弦数字量高4位08H控制端口,向SP I 输出控制命令04H输出端口,向SP I 发出数据01H输入端口,向P icoB l a ze 输入数据80H 指示灯状态当数据发送完毕,程序正常运行时,系统状态指示灯亮,给予提示。
2 13 数模转换及SPI 通信设计中采用12位串行D /A 转换器LTC2624作为数模转换器,可提供3 3V 和2 5V 两种参考电压,它有A 、B 、C 、D 四路模拟输出,设计选用A 通道进行信号输出。
LTC2624通过串行外设接口SPI 与P i c oB laze 微处理器进行通信。
每次通信由32位构成,分四个字节,其中,最高字节设置为 00000000 ,表示无效位;次高字节设置为 00110000 ,表示将数据写入LTC2624内部寄存器 n ,并由通道A 输出。
中间12位是待转换的正弦数字量,由P icoB laze 从DDS 模块端口地址读入。
最低4位设置为 0000 ,表示无效。
P icoB laze 通过SPI 总线将32位控制字发送给LTC2624,接线图如图2所示。
其中,SCK 为编程产生的串行时钟输入信号;SD I 为串行接口数据输入信号;DAC _CLR 为同步清零信号;DAC _CS 为串行接口片选信号。
当DAC_CS 为低电平时,启动通信,并且禁止使能其它器件。
图2 P icoB l aze 与LTC2624接口2 1 4 低通滤波电路根据DDS 技术的原理与DDS 结构特点,输出的模拟正弦波中含有大量的杂散谱线,需经过低通滤波器使波形平滑[11]。
由于巴特沃斯二阶低通滤波器的幅频响应在通带中具有最大平坦度,且结构简单,容易实现,本设计采用巴特沃斯二阶低通滤波器[12],外围电路如图3所示。
为了获得截止频率为1KH z 的正弦信号,电路选用参数为R1=R2=R=3 3K ,C1=C2=C =0 047u,f 截止频率f c =12 RC=1 026KH z ,R3=10 5k ,R4=17 8k ,通带电压增益A 0=1 586。
221期 陈晓艳等:基于FPGA 的生物电阻抗成像系统激励源设计与实现2 2 系统的软件设计系统软件设计采用I SE 9 2i 开发环境和Notepad++文本编辑环境。
根据P icoB laze 指令系统在N ote -pad++编写控制代码,并保存为 ps m 格式的文件,再用X ilinx 的KCPSM 3编译器对文件进行编译,编译后生成一个存储用户程序的VHDL 文件,将其和处理器软核加载到I SE 的工程中,建立上层文件,对各输入、输出口及中断进行配置。
图3 二阶巴特沃斯低通滤波电路控制程序采用软件中断方式控制LTC2624芯片对DDS 输出正弦数字量进行采样。
在ISE 中,将主时钟50MH z 分频到100KH z ,接到DDS 时钟输入端口,保证与LTC2624同步。
系统控制流程如图4所示。
图4 系统流程图23微 计 算 机 应 用 2011年3 测试结果及分析在I SE 9 2i 环境下,用I SE S i m ulator 工具对DDS 模块进行行为仿真,仿真结果如图5所示。