Nios软核在CT机扫描系统控制器设计中的应用

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  • 1 引言

       近年来,可编程逻辑器件的发展,使得SOPC (System On A Programmable Chip,可编程片上系统)成为可能, 即在一块可编程芯片上实现整个系统。Nios是Altera公司研发的可用于SOPC设计的处理器软核。基于Nios软核的SOPC系统,其最大特点就是灵活,能根据自己的需要灵活改动Nios的外围设备,使得硬件利用效率达到最高,同时他具有ISP(In System Programmable,在系统编程)的功能,可裁减,可扩充,可升级。本文充分利用了Nios系统灵活制定的好处,设计实现了一套CT机扫描系统控制器。

    2 CT扫描系统控制器

       CT机是根据不同密度和厚度的物体对X射线的吸收程度不同的原理,通过计算机成像技术,对病人身体成像的一种医学设备。CT机扫描系统由X射线发生系统,数据采集系统,对准栅三个子系统组成,如图1所示。扫描系统由扫描架承载,扫描架是个旋转体,扫描系统随着扫描架旋转,以获得不同角度下的人体信息,扫描架旋转一周所得数据可产生图像。

      扫描系统的三部分中,X射线发生系统产生射线,扫描系统控制器通过CAN总 线和他通信,发送X射线参数和动作指令,同时接收X射线发生器的状态信息。数据采集系统负责对X射线采样和传输数据,他扫描系统控制器采用RS422总线和其通信,发送控制指令,并接收指令执行状态。同时有IO接口用作采样触发脉冲和采样使能。对准栅通过挡板来调节X射线的开口宽度,挡板由一个步进电机驱动。扫描系统控制器接收来自上级的开口宽度指令,然后发出控制脉冲,控制步进电机到达指定位置,通过编码器接收步进电机转子位置信号,形成闭环。

      CT扫描系统控制器负责三个子系统的协调控制,为扫描系统中设备的通信中心和控制中心。首先他和上级控制单元通信,接收指令和汇报各子系统状态,其次和各子系统通信,发送控制指令,并接收子系统的状态信息。他根据接收到的控制指令和扫描架的位置信息,控制对准栅到达指定宽度,产生控制X射线发生和采样的时序。可见,CT扫描系统控制器包括了实时通信、电机控制,时序控制,是个多任务的系统。并且对实时性需求也非常高,所有一点时序发生偏差,都会对病人造成不必要的伤害。

      本文使用SOPC的方式,设计了以一片FPGA为核心的CT机扫描系统控制器硬件,制定了基于Nios软核的FPGA系统,然后设计了基于实时操作系统Nucleus的应用软件,实现了CT机扫描系统控制器的上述功能。

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