高速振鏡掃描控制系統的研制

高速振鏡掃描控制系統的研制

摘    要

光學相干層析成像是一種新型的生物醫學光學成像技術，它可以對生物組織進行非侵入式，或微侵入式層析成像，成像的空間分辨率可以達到10um之內，成像深度可以達到2-3mm。這種技術以能夠提供淺層軟組織的微觀形態圖像而著稱，在眼科、心血管科、腸胃科等領域都已經獲得了廣泛的臨床應用。

在實驗室現有條件的基礎之上，我們進行了有關光學相干層析成像系統的掃描控制系統的研制。

在硬件方面，我們通過設計控制板卡，將各個控制部分集成化。首先，我們設計了四軸步進電機控制板卡，可以程控、也可手動控制高精度二維載物平臺的X，Y平面移動、Z軸焦距調整以及掃描鏡頭旋轉角度θ的調整；另一方面，我們設計了掃描振鏡和線陣相機的控制板卡，這是整個控制系統的核心。上位機指令通過DA轉換并放大，轉換為模擬電壓信號，從而控制振鏡的偏轉；然后，通過AD轉換將振鏡的位置反饋給上位機，在合適的采樣時機觸發線陣相機曝光。

在軟件方面，一方面是對于步進電機輸入方式的鑒定，包括方向/脈沖和CW/CCW兩種輸入方式。通過撥碼開關選擇相應的控制方式，輸出相應的控制信號。另一方面是基于FPGA進行的掃描振鏡的偏轉和線陣相機的觸發控制。整個FPGA控制程序包括串口通信模塊、DA轉換模塊和AD轉換模塊，采用Verilog HDL編程語言，進行模塊化設計。通過FPGA全并行控制系統中各個模塊，大大提高了系統的運行速度和精度。

通過實驗證明，本課題的控制系統能夠實現三角波掃描頻率達到170Hz。配合線陣相機，在每秒鐘能夠生成340像素*340像素*512像素的三維圖像。相比于實驗室中現有的OCT系統，三維成像速度可以提高超過300倍。

關鍵詞：光學相干層析成像、三維成像、掃描振鏡、步進電機

Abstract

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目錄

目錄5

1 緒論1

1.1 研究背景及現實意義1

1.2 國內外研究現狀2

1.3 論文構成及研究內容4

2高速振鏡掃描控制系統原理及組成5

2.1 光學相干層析成像原理5

2.2高速振鏡掃描控制系統概述8

2.2.1系統機械結構8

2.2.2 掃描振鏡9

2.2.3 滑臺10

2.2.4 步進電機11

2.2.5 控制系統概述11

3 高速振鏡掃描控制系統的控制板卡設計13

3.1 四軸步進電機驅動控制13

3.1.1 PIC單片機控制電路13

3.1.2 CPLD控制電路15

3.2振鏡掃描及相機觸發驅動控制16

3.2.1 電源模塊16

3.2.2 串口通信模塊17

3.2.3  DA轉換模塊17

3.2.4  AD轉換模塊18

3.2.5 FPGA控制模塊19

4  高速振鏡掃描控制系統的控制程序設計20

4.1 四軸步進電機驅動控制20

4.2 掃描振鏡的轉動控制21

4.2.1串口通信模塊22

4.2.2 DA轉換模塊24

4.2.3 AD轉換模塊26

4.3 相機觸發掃描同步控制27

結論28

致謝29

參考文獻30

附錄A 串口配置DA轉換Verilog HDL程序31

附錄B  AD轉換Verilog HDL程序48