基于FPGA的X射線能譜測量數據采集系統設計與實現

X射線管產生的X射線不是單一能量X射線,而是包含了多種不同能量的連續譜X射線,從物理學角度分析可知,能量不同的X射線對于各種物質吸收特性不盡相同,因而物質與不同能量X射線相互作用會呈現不同的物理性質。在X射線CT中,利用連續譜的X射線照射被檢對象后,由于各種能量X射線的吸收特性不同,可能出現射線束硬化(Beam Hardening)等現象,從而引起CT圖像“壓杯(Cupping)”偽像(Artifact)。通過采集X射線能譜數據獲得能譜圖,我們便可了解能量不同X射線與被檢對象相互作用之后吸收情況,從而適當的矯正X射線CT圖像。X射線能譜數據可以由X射線能夠數據采集系統獲得,本論文的主要目的在于研究一種基于FPGA的X射線能譜數據采集系統,同時開發數據采集系統相關的配套軟件X射線能譜顯示軟件。在充分學習現場可編輯邏輯門陣列、微控制器等電子技術、軟件開發技術以及充分了解了國內外X射線能譜數據采集方案之后,我選擇了利用現場可編輯邏輯門陣列和微控制器相結合完成X射線能譜數據的采集。

基此,本論文采用了Altera公司EP4CE15系列FPGA芯片、ST(意法半導體)公司的STM32F103系列微控制器、AD9215模數轉換器等作為采集系統核心器件進行了數字化的X射線能譜數據采集系統的設計。結合數據采集系統的硬件設計,論文詳細闡述了預處理電路、電源電路、FPGA外圍控制電路、STM32外圍控制電路以及ADC采樣電路各部分的具體設計思想。數字X射線脈沖信號處理模塊也尤為重要,根據需要,論文對FPGA軟件設計也做出了詳細介紹,采用Verilog HDL語言設計了FPGA內部各個功能模塊。

系統軟件設計則包含兩個部分:STM32微控制器軟件設計和上位機軟件的設計。其中STM32微控制器不僅需要通過SPI接口完成其與FPGA之間的數據傳輸及命令交互,還需通過USB虛擬串口將能譜數據傳輸至上位機應用軟件。X射線能譜顯示軟件則利用Visual Studio2010軟件開發平臺采用C#語言設計,X射線能譜數據和脈沖信號數據曲線通過開源繪圖控件ZedGraph完成譜線繪制,還可以對X射線能譜進行能量刻度、感興趣面積、譜數據存儲等操作。最后,經過初步測試表明,課題的X射線能譜數據采集系統設計合理,采用Na I(Tl)閃爍計數器輸出核脈沖信號進行相關測試,實現了X射線能譜數據的顯示和存儲,同時也能完成能量刻度、感興趣面積等操作,達到了預期的設計目標。