CN112763520B - 面向根系ct扫描成像仪的高通量可见光图像传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向根系CT扫描成像仪的高通量可见光图像传输系统。本发明对比传统医用CT机的图像传输总线方案来说，兼顾高通量的图像信息传输，同时总成本会大大降低。对于未来高通量植物根系表型的图像数据研究，提供了一种全新的传输选择，可以在特定的根系CT扫描仪上使用。

Description

面向根系CT扫描成像仪的高通量可见光图像传输系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为面向根系CT扫描成像仪的高通量可见光图像传输系统。

背景技术

21世纪初，计算机信息技术的快速发展，无线网络逐步应用于各行各业。基于无线可见光技术进行通信可以为系统带来更高频段的带宽，同时对于低频系统而言，信号衰减不明显。随着集成光电子制造行业器件逐步廉价化，中高速、低成本、短距离、高灵活性的白光LED可见光通信系统逐步引起学者们的深入研究。自从2013年后，我国将可见光通信技术列入到高新技术863项目计划后，推动了可见光无线通信技术的进步，使得白光LED现广泛的应用于照明，显示，信号发射等领域，基于白光LED的可见光通信系统在高速通信、智慧交通、室内定位等领域具有很高的运用前景。得益于白光LED可见光通信拥有带宽高，传输速率快等特点，系统可以实现一些满足高通量的通信应用场景。

近年来，在植物表型学中，高通量结合表型问题逐步凸显为研究的热点问题。高通量可意为大规模的植物表型信息，可以通过数据处理时间、速度和数据规模来权衡此概念。因为植物根系处在地下土壤环境下，具有不可见性和空间复杂性，使得观察以及处理高通量原位土壤根系图像成为地下根系研究的挑战。随着医学成像领域的发展，为非侵入式研究土壤中根系三维表型结构提供了可能，X-CT技术逐步用于研究植物的地下隐藏部分。对于一个高通量根X-CT扫描成像处理系统来说，需要把上位成像扫描到的大量CT图像数据传输到下位图像重建处理端，这期间的图像数据传输需要考虑到精准和高通量的条件。对 于特定的植物根系CT扫描仪上下位处理端之间的数据交换，常用的医用PCI-E总线通信虽可满足高通量的条件，但不能满足于未来植物表型检测低成本，便携性的特点。将具有低成本、高灵活性、高通量的可见光通信系统加入到此类特殊的根系CT扫描仪中，以实现高通量图像传输的研究，国内外没有相关的研究报道。

发明内容

面向根系CT扫描成像仪的高通量可见光图像传输系统，包括发射端和接收端，

发射端包括第一USB串口、电阻R1、电阻R2、运算放大器A、电阻R3、电阻R4、稳压芯片、电容C1、电源、电容C3、滑动变阻器R、三极管、白光LED和主控芯片一，第一USB串口连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接主控芯片一I/O口端，主控芯片一I/O口端连接电阻R2一端，电阻R2另一端连接运算放大器A的正极，运算放大器A的负极串连电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接稳压芯片的Vo端，电阻R4的另一端连接GND端，电容C1的两端与电源的正负极连接，电容C1的两端与稳压芯片的Vi端和GND端连接，运算放大器A的输出端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接滑动变阻器R的滑动端，滑动变阻器R的滑动端连接三极管的基极端，三极管的发射端连接白光LED的正极端，白光LED的负极端连接滑动变阻器R；

接收端包括第二USB串口、电阻R7、电容C5、运算放大器B、电阻Rf、电容Cf、电源DC和主控芯片二，主控芯片二的I/O口端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接第二USB串口，电容C5连接第二USB串口，主控芯片二的I/O口端连接运算放大器B的输出端，电阻Rf的两端分别与运算放大器B的输出端和运算放大器B的反相输入端相连，电容Cf与电阻Rf并联，电源DC连接运算放大器B的正、负电源端。

本发明的有益效果：该设计对比传统医用CT机的图像传输总线方案来说，兼顾高通量的图像信息传输，同时总成本会大大降低。对于未来高通量植物根系表型的图像数据研究，提供了一种全新的传输选择，可以在特定的根系CT扫描仪上使用。

附图说明

图1 为本发明的发射端电路图。

图2为本发明的接收端电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：

基于面向X-CT技术根系三维重建系统的可见光图像传输发射端的设计大致由USB串口通信模块、信号放大电路模块、白光LED驱动电路模块三部分组成。其中，白光LED驱动电路是发射端的核心部分，其工作原理就是将调制后的直流电信号转换成为白光LED发射的光信号，并对调制后的电信号产生放大的作用。在可见光通信图像传输系统中，使用白光LED作为发光信号源，因为其具有高频响应特性，所以在设计白光LED驱动电路时应考虑长时间工作下的直流偏置下的信号峰值、功耗发热等可控因素。

如图1所示：发射端包括第一USB串口和主控芯片一，第一USB串口连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接主控芯片一输入端口并且输入端口为P0数据端口；主控芯片一输出端口连接电阻R2一端，主控芯片一输出端口为P1数据端口；电阻R2另一端连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的反相输入端串连电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接稳压芯片的Vo端，电阻R4的另一端连接GND端，电容C1的两端与电源的正负极连接，电容C1的两端与稳压芯片的Vi端和GND端连接，运算放大器A的输出端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接滑动变阻器R的滑动端，滑动变阻器R的滑动端连接三极管的基极端，三极管的发射端 连接白光LED的正极端，白光LED的负极端连接滑动变阻器R；其中，C1、C2、C3为滤波电容，发射端的主控芯片一选择的是STC15F2K24AS。稳压芯片型号为7805。

发射端的设计大致由第二USB串口通信模块、信号放大电路模块、白光LED驱动电路模块三部分组成。其中，白光LED驱动电路是发射端的核心部分，其工作原理就是将调制后的直流电信号转换成为白光LED发射的光信号，并对调制后的电信号产生放大的作用。在可见光通信图像传输系统中，使用白光LED作为发光信号源，因为其具有高频响应特性，所以在 设计白光LED驱动电路时应考虑长时间工作下的直流偏置下的信号峰值、功耗发热等可控 因素。上位机采集的CT图像在输入时为模拟信号，在逻辑电路中的信号应为数字信号，即二进制比特流，因此在传输的开始应添加模数转换电路进行信号转换。此设计的发射端采用通断键控(OOK)的信号调制技术，在数字信号从主控芯片一输出后，目的就是将LED驱动电路前端的图像二进制信号流调制到白光LED上，发出高频闪烁的光信号。OOK调制是一种实用的光通信调制技术，它根据信号的幅度来控制发射频率，当信号幅度高时，则发射载波频率，即为通，用数字信号“1”表示；反之则不发射载波频率，即为断，用数字信号“0”表示。利 用载波传递数字信息，通过载波信号来控制通断的变化。

如图2所示：接收端包括第二USB串口和主控芯片二，主控芯片二的输出端口连接电阻R7的一端，运算放大器B输出端与主控芯片二P0输入端口连接，主控芯片二输出端口为P1数据端口； 电阻R7的另一端连接USB串口，电容C5一端连接USB串口，电容C5另一端连接GND，主控芯片二的输入端口运算放大器B的输出端，主控芯片二输入端口为P0数据端口；电阻Rf与运算放大器 A的输出端与运算放大器B的反向输入端并联，电容Cf与电阻Rf并联，电源DC连接运算放大器A的正负电源端，运算放大器B同相输入端连接GND，C4一端连接GND另一端连接运算放大器B反向输入端，硅光电二极管一端连接运算放大器B的反相输入端，另一端连接电源DC正极。

Rf作为反馈电阻，因为硅光电二极管的阻值较大，在反馈电阻端容易形成振荡，增加噪声，所以阻值不能选取过大。Cf作为反馈电容，用来控制接收电路的频率响应，防止自激，一般此电容为几皮法。

接收端整体系统原理图如图2所示。其中，R7、C5组成为低通滤波器，在本设计电路中实现两个功能，一是放大经光电检测二极管接收的电信号，二是进行滤波。Rf、Cf组成反馈电路，控制着接收端放大电路的频率响应。接收端的主控芯片二选择的是STC15F2K24AS。

对于接收端，主要是负责接收光信号，通过硅光电检测电路将光信号转化为电信号，最后经过运算放大器、数模转换电路将其还原为图像数据流。接收端的设计大致分为硅光电检测电路、接收放大电路两个模块。光信号在空间信道传输时，会受到背景噪声干扰和衰减，同时要考虑到光电检测二极管中存在的暗电流。因此在设计光电检测电路时，要兼顾对电信号的放大还要对暗电流等噪声进行滤波。

接收端和发射端的运算放大器A型号为OPA861。

发射端的图像数字信号先后经第一USB串口、低通滤波器输入到主控芯片一，由主控芯片一进行逻辑转换，信号调制到运算放大器A，经过C3电容滤波到三极管，进行逻辑电信号再次放大，最后由白光LED输出，其中低通滤波器由C2、R1组成。

接收端的硅光电二极管接收到白光LED的光信号，经过运算放大器B将转换后的电信号放大，进入主控芯片二进行信号解调，经过低通滤波器，由串口输出最后的图像数字信息，其中低通滤波器由R7、C5组成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.面向根系CT扫描成像仪的高通量可见光图像传输系统，包括发射端和

接收端，其特征在于：

发射端包括第一USB串口、电阻R1、电阻R2、运算放大器A、电阻R3、电阻R4、稳压芯片、电容C1、电源、电容C3、滑动变阻器R、三极管、白光LED和主控芯片一，第一USB串口连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接主控芯片一I/O口端，主控芯片一I/O口端连接电阻R2一端，电阻R2另一端连接运算放大器A的正极，运算放大器A的负极串连电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接稳压芯片的Vo端，电阻R4的另一端连接GND端，电容C1的两端与电源的正负极连接，电容C1的两端与稳压芯片的Vi端和GND端连接，运算放大器A的输出端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接滑动变阻器R的滑动端，滑动变阻器R的滑动端连接三极管的基极端，三极管的发射端连接白光LED的正极端，白光LED的负极端连接滑动变阻器R；

接收端包括第二USB串口、电阻R7、电容C5、运算放大器B、电阻Rf、电容Cf、电源DC和主控芯片二，主控芯片二的I/O口端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接第二USB串口，电容C5连接第二USB串口，主控芯片二的I/O口端连接运算放大器B的输出端，电阻Rf的两端分别与运算放大器B的输出端和运算放大器B的反相输入端相连，电容Cf与电阻Rf并联，电源DC连接运算放大器B的正、负电源端。