高速振镜扫描控制系统的研制

高速振镜扫描控制系统的研制

摘    要

光学相干层析成像是一种新型的生物医学光学成像技术，它可以对生物组织进行非侵入式，或微侵入式层析成像，成像的空间分辨率可以达到10um之内，成像深度可以达到2-3mm。这种技术以能够提供浅层软组织的微观形态图像而著称，在眼科、心血管科、肠胃科等领域都已经获得了广泛的临床应用。

在实验室现有条件的基础之上，我们进行了有关光学相干层析成像系统的扫描控制系统的研制。

在硬件方面，我们通过设计控制板卡，将各个控制部分集成化。首先，我们设计了四轴步进电机控制板卡，可以程控、也可手动控制高精度二维载物平台的X，Y平面移动、Z轴焦距调整以及扫描镜头旋转角度θ的调整；另一方面，我们设计了扫描振镜和线阵相机的控制板卡，这是整个控制系统的核心。上位机指令通过DA转换并放大，转换为模拟电压信号，从而控制振镜的偏转；然后，通过AD转换将振镜的位置反馈给上位机，在合适的采样时机触发线阵相机曝光。

在软件方面，一方面是对于步进电机输入方式的鉴定，包括方向/脉冲和CW/CCW两种输入方式。通过拨码开关选择相应的控制方式，输出相应的控制信号。另一方面是基于FPGA进行的扫描振镜的偏转和线阵相机的触发控制。整个FPGA控制程序包括串口通信模块、DA转换模块和AD转换模块，采用Verilog HDL编程语言，进行模块化设计。通过FPGA全并行控制系统中各个模块，大大提高了系统的运行速度和精度。

通过实验证明，本课题的控制系统能够实现三角波扫描频率达到170Hz。配合线阵相机，在每秒钟能够生成340像素*340像素*512像素的三维图像。相比于实验室中现有的OCT系统，三维成像速度可以提高超过300倍。

关键词：光学相干层析成像、三维成像、扫描振镜、步进电机

Abstract

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目录

目录 5

1 绪论 1

1.1 研究背景及现实意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 范文构成及研究内容 4

2 高速振镜扫描控制系统原理及组成 5

2.1 光学相干层析成像原理 5

2.2 高速振镜扫描控制系统概述 8

2.2.1系统机械结构 8

2.2.2 扫描振镜 9

2.2.3 滑台 10

2.2.4 步进电机 11

2.2.5 控制系统概述 11

3 高速振镜扫描控制系统的控制板卡设计 13

3.1 四轴步进电机驱动控制 13

3.1.1 PIC单片机控制电路 13

3.1.2 CPLD控制电路 15

3.2振镜扫描及相机触发驱动控制 16

3.2.1 电源模块 16

3.2.2 串口通信模块 17

3.2.3  DA转换模块 17

3.2.4  AD转换模块 18

3.2.5 FPGA控制模块 19

4  高速振镜扫描控制系统的控制程序设计 20

4.1 四轴步进电机驱动控制 20

4.2 扫描振镜的转动控制 21

4.2.1串口通信模块 22

4.2.2 DA转换模块 24

4.2.3 AD转换模块 26

4.3 相机触发扫描同步控制 27

结论 28

致谢 29

参考文献 30

附录A 串口配置DA转换Verilog HDL程序 31

附录B  AD转换Verilog HDL程序 48