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基于FPGA的数字化EIT硬件系统设计

作　者: 吴佳妮
导　师: 陈晓艳
学　校: 天津科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 电阻抗断层成像 FPGA 直接数字合成 正交序列解调
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


电阻抗断层成像技术(EIT:Electrical Impedance Tomography)是当今生物医学工程学重大研究课题之一。它是继形态、结构成像之后,于近30年才出现的新一代医学成像技术。由于电阻抗断层成像技术不使用核素或射线,对人体无伤害、且可以多次测量,重复使用,成像速度快,具有功能成像等特点,加之成本低廉,不要求特殊的工作环境等,其作为一种理想的并且有着诱人应用前景的无损伤医学成像技术,迅速成为研究热点。本论文的研究是在天津市科委自然科学基金项目“无创监护肺呼吸的电阻抗断层成像关键技术研究”(08JCYBJC03500)的资助下完成的。本文设计并实现了一套基于FPGA的数字化EIT硬件系统,主要工作如下：1.通过方案论证,确定了基于FPGA的主从式数字化生物电阻抗断层成像数据采集系统的设计方案。2.以Spartan3E系列XC3S500E-5FG320型号的FPGA为核心,嵌入8位微处理器PicoBlaze实现恒流激励源、模拟开关通道切换、正交序列解调、数据缓存及串口通信等逻辑控制功能。3.采用VHDL语言完成了FPGA的硬件开发,采用Delphi软件开发了上位PC机界面,实现数据的实时存储并绘制曲线。4.在直径为30cm的物理实验水槽上进行一系列实验,对整个系统进行性能测试,取得了较好的结果,实验结果表明该系统能够实现电阻抗数据采集功能。5.针对系统存在的问题,从电极、制板、调试方法等角度,提出了一些后续的改进方案。本文的创新点主要体现在激励电源模块的设计与实现上。采用FPGA内部的DDSIP核模块,经高速D/A转换和巴特沃斯二阶低通滤波电路,构成一个相位和频率均可调的电压源,然后再配合两种VCCS电路,构成两种激励电流源,并对其性能进行了测试。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 前言  9-22
  1.1 医学断层成像技术概述  9-15
  1.2 EIT的原理及数学模型  15-18
    1.2.1 基本原理  15-16
    1.2.2 EIT的数学物理基础  16-18
  1.3 EIT国内外研究动态  18-20
    1.3.1 国外研究动态  18-19
    1.3.2 国内研究动态  19-20
  1.4 EIT发展趋势  20
  1.5 本论文的研究内容  20-21
  1.6 本论文的组织形式  21-22
2 EIT数据采集系统方案论证  22-27
  2.1 EIT系统构成  22
  2.2 EIT数据采集系统的硬件结构  22-23
  2.3 EIT数据采集系统微处理器的选择  23-24
  2.4 FPGA简介  24-27
3 EIT数据采集系统的硬件设计  27-51
  3.1 时钟分配  27
  3.2 激励源设计  27-37
    3.2.1 DDS技术  28-29
    3.2.2 DDS模块  29-31
    3.2.3 数据转换模块  31-33
    3.2.4 巴特沃斯二阶低通滤波器  33
    3.2.5 电压控制电流源  33-37
  3.3 模拟开关阵列  37-41
    3.3.1 激励电极选通开关  37-39
    3.3.2 测量电极选通开关  39-41
  3.4 信号处理电路  41-46
    3.4.1 AD8130差分放大电路  42
    3.4.2 可编程增益放大电路  42-44
    3.4.3 模数转换电路  44-46
  3.5 正交序列解调模块  46-48
  3.6 数据缓冲模块  48-49
  3.7 串口通信模块  49-51
4 EIT数据采集系统的软件设计  51-59
  4.1 FPGA的开发工具和开发流程  51-53
    4.1.1 FPGA的开发工具  51-52
    4.1.2 FPGA的开发流程  52-53
  4.2 VHDL硬件描述语言  53
  4.3 PicoBlaze8位微控制器  53-56
    4.3.1 PicoBlaze基本结构  54-55
    4.3.2 PicoBlaze指令存储器配置方式  55
    4.3.3 PicoBlaze开发工具  55-56
  4.4 EIT数据采集系统的软件设计流程  56-57
  4.5 上位PC机界面  57-59
5 系统性能测试  59-62
6 结论  62-64
  6.1 系统调试过程中的问题及解决方法  62-63
  6.2 系统存在的问题  63-64
7 展望  64-65
8 参考文献  65-72
9 论文发表情况  72-73
10 致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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