基于FPGA的平板探测器的信号采集电路的设计与研究

摘要

在全球范围内，由于空气污染和工业化所造成的各类癌症越来越多。据世界卫生组织统计，在2017年全球每年有880万人死于癌症，死者大多数生活在中低收入国家和偏远山区，而且癌症的发病率还有上升的趋势，发病年龄也逐步趋向年轻化。早在1985年世界卫生组织就明确提出三分之一的癌症是可以预防的，甚至是可以被治愈的。癌症患者越早的发现那么他被治愈的可能性就越大，所以早发现、早诊断、早治疗是彻底治愈癌症的关键。目前检查癌症的数字医学影像设备很多，包括CT、FPD、MR等。但是CT、MR等设备昂贵、技术复杂、辐射量大而且不方便携带，因此对于癌症的预防和检查这些设备很难做到大规模的普及使用。然而FPD具有体积尺寸小、重量轻、方便携带等优点。如果FPD能够大规模的普及使用这会使得许多经济相对落后、偏远地区的人们具有癌症病情早期筛查和预防的机会，这对于癌症的早期发现和治疗意义重大。
　　针对数字医学影像方面缺乏便携式高性能探测器，本论文基于上海交通大学微纳米加工技术国家重点实验室黄慧良教授设计研发的非晶硅传感器阵列面板，设计可以实现准确读取传感器阵列面板感测到的X光信号的信号采集电路。通过对采集的模拟信号进行放大、滤波和模数转换，得到低噪声、高精度的数字信号和高清晰度、高信噪比的医学图像。该系统可实现对人体心、肝和肺及女性的乳腺进行癌症的筛查与诊断。
　　本论文的主要工作包括：1.FPD的硬件结构设计，这其中包括芯片的选型，硬件原理图的设计，PCB设计及元器件布局。硬件原理图的设计主要包括电源部分、驱动电路部分、SD卡存储部分。2.使用Verilog硬件描述语言实现FPGA对信号采集板的控制以及对采集的信号进行存储与处理，通过ISE软件和Modelsim软件进行编译、综合和仿真来验证代码的正确性。3.把经过软件仿真后的代码烧录PCB硬件中进行功能验证，证明设计的代码以及电路达到最初的要求。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的内容

2 数字医疗影像系统的总体设计

2.1 数字医疗影像系统的组成

2.2 X射线成像原理

2.3 FPD的面板阵列

2.4 FPGA的结构

2.5 信号采集与模数转换

2.6 本章小结

3 FPD的硬件设计

3.1 芯片选型

3.2 硬件原理图设计

3.3 PCB的设计及元器件布局要求

3.4 本章小结

4 X 射线信号采集系统的软件实现设计

4.1 开发流程

4.2 时钟模块

4.3 信号采集模块

4.4 模数转换控制模块

4.5 寄存器配置模块

4.6 通信模块

4.7 FIFO存储模块

4.8 本章小结

5 系统电路测试

5.1 在线测试

5.2 电路性能分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 项目研究与展望

6.2 FPD的优点

参考文献

攻读硕士学位期间主要成果

致谢