基于FPGA的X射线能谱测量数据采集系统设计与实现

X射线管产生的X射线不是单一能量X射线,而是包含了多种不同能量的连续谱X射线,从物理学角度分析可知,能量不同的X射线对于各种物质吸收特性不尽相同,因而物质与不同能量X射线相互作用会呈现不同的物理性质。在X射线CT中,利用连续谱的X射线照射被检对象后,由于各种能量X射线的吸收特性不同,可能出现射线束硬化(Beam Hardening)等现象,从而引起CT图像“压杯(Cupping)”伪像(Artifact)。通过采集X射线能谱数据获得能谱图,我们便可了解能量不同X射线与被检对象相互作用之后吸收情况,从而适当的矫正X射线CT图像。X射线能谱数据可以由X射线能够数据采集系统获得,本论文的主要目的在于研究一种基于FPGA的X射线能谱数据采集系统,同时开发数据采集系统相关的配套软件X射线能谱显示软件。在充分学习现场可编辑逻辑门阵列、微控制器等电子技术、软件开发技术以及充分了解了国内外X射线能谱数据采集方案之后,我选择了利用现场可编辑逻辑门阵列和微控制器相结合完成X射线能谱数据的采集。

基此,本论文采用了Altera公司EP4CE15系列FPGA芯片、ST(意法半导体)公司的STM32F103系列微控制器、AD9215模数转换器等作为采集系统核心器件进行了数字化的X射线能谱数据采集系统的设计。结合数据采集系统的硬件设计,论文详细阐述了预处理电路、电源电路、FPGA外围控制电路、STM32外围控制电路以及ADC采样电路各部分的具体设计思想。数字X射线脉冲信号处理模块也尤为重要,根据需要,论文对FPGA软件设计也做出了详细介绍,采用Verilog HDL语言设计了FPGA内部各个功能模块。

系统软件设计则包含两个部分:STM32微控制器软件设计和上位机软件的设计。其中STM32微控制器不仅需要通过SPI接口完成其与FPGA之间的数据传输及命令交互,还需通过USB虚拟串口将能谱数据传输至上位机应用软件。X射线能谱显示软件则利用Visual Studio2010软件开发平台采用C#语言设计,X射线能谱数据和脉冲信号数据曲线通过开源绘图控件ZedGraph完成谱线绘制,还可以对X射线能谱进行能量刻度、感兴趣面积、谱数据存储等操作。最后,经过初步测试表明,课题的X射线能谱数据采集系统设计合理,采用Na I(Tl)闪烁计数器输出核脉冲信号进行相关测试,实现了X射线能谱数据的显示和存储,同时也能完成能量刻度、感兴趣面积等操作,达到了预期的设计目标。