CN105403595B - 基于fpga的块茎电阻成像数据获取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，通过FPGA芯片控制硬件电路及芯片，对TERT系统中6层平面阵列电极的激励及信号采集进行扫略控制，从而实现TERT系统数据的获取。本发明所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，在数据获取系统中采用了FPGA芯片方案用以数据采集；FPGA因其灵活性强，可以用HDL语言来编程实现不同功能，开发出来的产品性能好，外设可扩展I/O多的优良特性，可以很好的实现大量数据的高速采集，使得数据获取系统能很好的满足TERT系统对于数据采集的要求。
Description
技术领域
本发明涉及应用于TERT(块茎电阻层析成像，Tuber Electrical ResistanceTomography)系统的数据采集技术，具体说是基于FPGA(现场可编程门阵列，FieldProgrammable Gate Array)的块茎电阻成像数据获取系统。所述数据获取系统尤指用于TERT系统中的数据获取系统。
背景技术
对于现有的TERT系统，可分为数据获取系统(数据采集与传输)和图像重建系统(成像算法)两大部分，想要得到准确的、符合特定场合需求的图像，TERT系统的合理激励/测量和精准的信号采集尤为重要。
在现有技术中，对TERT系统的合理激励/测量和精准的信号采集一般是基于单片机嵌入式技术来实现的，例如：基于ARM(进阶精简指令集器，Advanced RISC Machine)内核处理芯片的数据获取技术，它主要通过ARM内核处理芯片来控制TERT系统中信号激励与采集部分的底层电路，实现对TERT系统中的阵列电极上输出电压数据或输出电流数据的采集与处理。
而对于TERT系统中的数据获取系统，需要实现对6×16阵列电极的6×104组输出电压数据的采集测量，采集数据量较大，对采集速度也有一定的要求。而采用ARM内核处理芯片方案虽开发周期短，具有比较强的事务管理功能，但其执行速度慢，不适合大量数据的快速运算，应用于TERT系统中的数据获取系统时，并不能很好的满足TERT系统对于数据采集的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，在数据获取系统中采用了FPGA芯片方案用以数据采集；FPGA因其灵活性强，可以用HDL语言来编程实现不同功能，开发出来的产品性能好，外设可扩展I/O多的优良特性，可以很好的实现大量数据的高速采集，使得数据获取系统能很好的满足TERT系统对于数据采集的要求。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：通过FPGA芯片控制硬件电路及芯片，对TERT系统中6层平面阵列电极的激励及信号采集进行扫略控制，从而实现TERT系统数据的获取。
在上述技术方案的基础上，具体包括：
信号激励部分，包括FPGA芯片、激励恒流源和激励通道选择单元，信号激励部分负责产生TERT系统中6层平面阵列电极的激励恒流源，
信号采集部分，包括FPGA芯片和采集通道选择单元，信号采集部分负责检测和处理TERT系统中6层平面阵列电极相应一对电极间的电压量，
调理电路部分，包括FPGA芯片、ARM芯片、放大/滤波单元、交直转换单元、低通滤波单元和程控放大单元，调理电路部分对信号采集部分采集到的电压值进行放大滤波、交直转换、低通滤波和程控放大，最终得到适合A/D采集范围的直流电压值；
数据传输部分，包括ARM芯片和网络服务器，数据传输部分负责对采集的数据进行传输，所述网络服务器采用LAMP技术搭建，设有无线模块。
在上述技术方案的基础上，在激励恒流源中采用恒流源芯片LM334产生幅值恒定的激励电流，由开关芯片MAX303对激励电流进行切换，从而产生幅值恒定的双极性电流，同时通过改变开关芯片MAX303切换频率最终改变双极性电流频率，在这个过程中，由FPGA芯片控制开关芯片MAX303的切换动作。
在上述技术方案的基础上，在数据获取系统的信号激励部分与信号采集部分中，激励通道选择单元和采集通道选择单元采用电子开关芯片CD4051，由FPGA芯片控制电子开关芯片CD4051实现系统对激励通道的选择以及对采集通道的选择。
在上述技术方案的基础上，对TERT系统中6层平面阵列电极的每一层使用四片电子开关芯片CD4051，共有32个控制开关，其中两片电子开关芯片CD4051用于控制激励通道选择，两片用于控制采集通道选择。
在上述技术方案的基础上，控制激励通道选择时，一层平面阵列电极中的16个电极交替式分别连入两片电子开关芯片CD4051的每个开关通道，同时两片电子开关芯片CD4051的另一端连接在一起分别接在激励恒流源的两个输出；
控制采集通道选择时，一层平面阵列电极中的16个电极交替式分别连入两片电子开关芯片CD4051的每个开关通道，同时两片电子开关芯片CD4051的另一端接入调理电路部分，经调理电路部分对采集通道采集到的电压值进行放大滤波、交直转换、低通滤波和程控放大。
在上述技术方案的基础上，在调理电路部分中，放大/滤波单元使用差分放大电路及带通滤波电路，
交直转换单元通过基于乘法器的相敏解调方式实现。
在上述技术方案的基础上，ARM芯片会对每一个采样通道的采样数据进行检测，若采样数据不满足A/D采集范围，则该通道的程控放大单元会对电路的放大增益进行调整；
在程控放大单元，FPGA芯片通过增益控制器实现对电极输出信号的程控放大功能。
在上述技术方案的基础上，在调理电路部分完成对电极输出信号的处理后，ARM芯片控制A/D转换芯片对采样数据进行A/D转换并存储，并在完成一次完整数据的采集之后，ARM芯片控制无线模块将所存储的采样数据传输至网络服务器中。
本发明所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，在数据获取系统中采用了FPGA芯片方案用以数据采集；FPGA因其灵活性强，可以用HDL语言来编程实现不同功能，开发出来的产品性能好，外设可扩展I/O多的优良特性，可以很好的实现大量数据的高速采集，使得数据获取系统能很好的满足TERT系统对于数据采集的要求。
附图说明
本发明有如下附图：
图1 数据获取系统架构图；
图2 激励电流产生电路；
图3 激励电流双极性转换电路；
图4 CD4051脚功能；
图5 电极交替式连接两个CD4051芯片示意图；
图6 程控放大示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明为了解决传统单片机嵌入式技术方案的缺陷，通过设计出一种基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，实现对TERT系统中6×16阵列电极的6×104组输出电压数据的高速实时测量。主要通过FPGA芯片控制硬件电路及芯片，对TERT系统中6层平面阵列电极的激励及信号采集进行扫略控制，从而实现TERT系统数据的获取。
如图1所示，本发明所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，具体包括：
信号激励部分，包括FPGA芯片、激励恒流源和激励通道选择单元，信号激励部分负责产生TERT系统中6层平面阵列电极的激励恒流源，
信号采集部分，包括FPGA芯片和采集通道选择单元，信号采集部分负责检测和处理TERT系统中6层平面阵列电极相应一对电极间的电压量，
调理电路部分，包括FPGA芯片、ARM芯片、放大/滤波单元、交直转换单元、低通滤波单元和程控放大单元，调理电路部分对信号采集部分采集到的电压值进行放大滤波、交直转换、低通滤波和程控放大，最终得到适合A/D采集范围的直流电压值；
数据传输部分，包括ARM芯片和网络服务器，数据传输部分负责对采集的数据进行传输，所述网络服务器采用LAMP技术搭建，设有无线模块，所述无线模块可选用有人公司USR-WIFI232-T无线模块。
其中，信号激励部分与信号采集部分为数据获取系统最重要的两部分，所述系统主要是通过FPGA芯片以实现控制的，包括对激励恒流源的输出控制，对采集通道选择单元的控制，以及与ARM芯片配合使用对调理电路部分的控制，最后由ARM芯片控制对采集的数据进行传输。
在上述技术方案的基础上，如图2所示，为了扩大数据获取系统的测量范围，在激励恒流源中采用恒流源芯片LM334产生幅值恒定的激励电流，由开关芯片MAX303对激励电流进行切换，从而产生幅值恒定的双极性电流，同时通过改变开关芯片MAX303切换频率最终改变双极性电流频率，在这个过程中，由FPGA芯片控制开关芯片MAX303的切换动作。激励电流产生电路如图2所示，对激励电流双极性转换电路如图3所示。
激励恒流源产生双极性激励电流后，需要选取TERT系统中相邻电极对作为激励通道，同时还需对同一平面上其他非激励电极上的电位信息进行采集，即选取采集通道。
在TERT系统中共有6×16个电极，每个电极都会作为激励源或者电压采集电极对，因此本发明中FPGA芯片需要对电子开关进行控制，从而实现对每个电极进行激励/采集通道的选取。通常在数字电路中一般使用COMS开关控制电路中的开关，在本发明中选择电子开关芯片CD4051作为COMS开关芯片，即：在数据获取系统的信号激励部分与信号采集部分中，激励通道选择单元和采集通道选择单元采用电子开关芯片CD4051，由FPGA芯片控制电子开关芯片CD4051实现系统对激励通道的选择以及对采集通道的选择。
电子开关芯片CD4051的引脚功能如图4所示。CD4051芯片为一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端，当“INH”＝1时，各通道均不接通。此外，CD4051芯片还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。
表1
在上述技术方案的基础上，对TERT系统中6层平面阵列电极的每一层使用四片电子开关芯片CD4051，共有32个控制开关，其中两片电子开关芯片CD4051用于控制激励通道选择，两片用于控制采集通道选择。
如图5所示，两片电子开关芯片CD4051在图5中标示为CD4051a、CD4051b，以控制激励通道选择的两片电子开关芯片CD4051为例(采集通道选择的连接方式与此相同)：
控制激励通道选择时，一层平面阵列电极中的16个电极交替式分别连入两片电子开关芯片CD4051的每个开关通道，同时两片电子开关芯片CD4051的另一端连接在一起分别接在激励恒流源的两个输出；这样的连接方式使得在相邻模式的TERT系统中保证相邻的电极对可以同一时刻被选择到；
控制采集通道选择时，一层平面阵列电极中的16个电极交替式分别连入两片电子开关芯片CD4051的每个开关通道，同时两片电子开关芯片CD4051的另一端接入调理电路部分，经调理电路部分对采集通道采集到的电压值进行放大滤波、交直转换、低通滤波和程控放大。
在上述技术方案的基础上，在调理电路部分中，放大/滤波单元使用差分放大电路及带通滤波电路，
交直转换单元通过基于乘法器的相敏解调方式实现。
在本发明的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统中，由于系统各测量电极上输出的电压信号不尽相同，各采样通道送到模数转换器输入端的电压信号也各不相同，因此不能采用固定增益的放大电路对信号进行放大。
因此在数据获取系统的调理电路部分加入了程控放大功能，以满足系统的要求。具体方案为：如图6所示，ARM芯片会对每一个采样通道的采样数据进行检测，若采样数据不满足A/D采集范围，则该通道的程控放大单元会对电路的放大增益进行调整；
在程控放大单元，FPGA芯片通过增益控制器实现对电极输出信号的程控放大功能。
在上述技术方案的基础上，在调理电路部分完成对电极输出信号的处理后，ARM芯片控制A/D转换芯片对采样数据进行A/D转换并存储，并在完成一次完整数据的采集之后，ARM芯片控制无线模块将所存储的采样数据传输至网络服务器中。
本发明的有益效果在于：FPGA灵活性强，可以用HDL语言来编程实现不同功能，延长产品的生命力，开发出来的产品性能好，而且外设可扩展多I/O口。在TERT系统中，电极由模拟开关阵列连接，前端开关阵列则由一个多I/O口的FPGA芯片控制，从而可以选择各个模拟开关的状态。TERT系统中包含6×16阵列电极，因而数据获取系统的信号处理数据量大，速度要求高，但运算结构相对比较简单，考虑到传感器电极数的可扩展性以及TERT系统中电极选通的不同，选用FPGA芯片能够很好的实现功能。
本发明中：
1、FPGA芯片控制开关芯片MAX303及LM334恒流源芯片，从而产生幅值恒定的双极性电流；
2、FPGA芯片控制CD4051开关芯片实现对每个电极激励/采集通道的选取；
3、FPGA芯片通过增益控制器实现对电极输出信号的程控放大功能。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：通过FPGA芯片控制硬件电路及芯片，对TERT系统中6层平面阵列电极的激励及信号采集进行扫略控制，从而实现TERT系统数据的获取；
具体包括：
信号激励部分，包括FPGA芯片、激励恒流源和激励通道选择单元，信号激励部分负责产生TERT系统中6层平面阵列电极的激励恒流源，
信号采集部分，包括FPGA芯片和采集通道选择单元，信号采集部分负责检测和处理TERT系统中6层平面阵列电极相应一对电极间的电压量，
调理电路部分，包括FPGA芯片、ARM芯片、放大/滤波单元、交直转换单元、低通滤波单元和程控放大单元，调理电路部分对信号采集部分采集到的电压值进行放大滤波、交直转换、低通滤波和程控放大，最终得到适合A/D采集范围的直流电压值；
数据传输部分，包括ARM芯片和网络服务器，数据传输部分负责对采集的数据进行传输，所述网络服务器采用LAMP技术搭建，设有无线模块。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：在激励恒流源中采用恒流源芯片LM334产生幅值恒定的激励电流，由开关芯片MAX303对激励电流进行切换，从而产生幅值恒定的双极性电流，同时通过改变开关芯片MAX303切换频率最终改变双极性电流频率，在这个过程中，由FPGA芯片控制开关芯片MAX303的切换动作。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：在数据获取系统的信号激励部分与信号采集部分中，激励通道选择单元和采集通道选择单元采用电子开关芯片CD4051，由FPGA芯片控制电子开关芯片CD4051实现系统对激励通道的选择以及对采集通道的选择。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：对TERT系统中6层平面阵列电极的每一层使用四片电子开关芯片CD4051，共有32个控制开关，其中两片电子开关芯片CD4051用于控制激励通道选择，两片用于控制采集通道选择。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：控制激励通道选择时，一层平面阵列电极中的16个电极交替式分别连入两片电子开关芯片CD4051的每个开关通道，同时两片电子开关芯片CD4051的另一端连接在一起分别接在激励恒流源的两个输出；
控制采集通道选择时，一层平面阵列电极中的16个电极交替式分别连入两片电子开关芯片CD4051的每个开关通道，同时两片电子开关芯片CD4051的另一端接入调理电路部分，经调理电路部分对采集通道采集到的电压值进行放大滤波、交直转换、低通滤波和程控放大。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：在调理电路部分中，放大/滤波单元使用差分放大电路及带通滤波电路，
交直转换单元通过基于乘法器的相敏解调方式实现。
7.如权利要求1所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：ARM芯片会对每一个采样通道的采样数据进行检测，若采样数据不满足A/D采集范围，则该通道的程控放大单元会对电路的放大增益进行调整；
在程控放大单元，FPGA芯片通过增益控制器实现对电极输出信号的程控放大功能。
8.如权利要求1所述的基于FPGA的块茎电阻成像数据获取系统，其特征在于：在调理电路部分完成对电极输出信号的处理后，ARM芯片控制A/D转换芯片对采样数据进行A/D转换并存储，并在完成一次完整数据的采集之后，ARM芯片控制无线模块将所存储的采样数据传输至网络服务器中。
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