CN110336928A - 一种基于zynq的oct光谱信号采集及传输*** - Google Patents

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Abstract

一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，包括光谱信号产生单元和数据采集传输单元，光谱信号产生单元包括光纤接头、准直***、透射式光栅和聚焦透镜；数据采集传输单元包括线阵CCD传感器模块、前置放大模块、模数转换模块、ZYNQ模块、DDR3数据缓存模块、USB3.0数据传输模块、同步触发模块以及电源模块。本发明能够满足OCT技术在快速性及大数据量高分辨率传输场景的需求。

Description

一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***
技术领域
本发明属于OCT光谱信号采集及传输领域，涉及光学、ZYNQ处理平台及高速USB3.0传输协议的集成电路设计领域。
背景技术
光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography)简称OCT，是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景，已应用在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中，还可用于采集人体真皮层汗孔、指纹等信息，是继X-CT和MRI技术之后的又一大技术突破，目前，OCT技术已经在医学、工业等领域获得越来越广泛的应用。OCT技术利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。
在OCT成像技术研究方面主要分两部分，即光学干涉成像***和CCD图像采集***。第一部分光学干涉成像***将干涉光信号首先经过分光***进行分解，分解后不同波长的光信号打到线阵CCD上，线阵CCD完成光信号到电信号的采集。
随着嵌入式技术的快速发展，单个处理器、单个DSP或者单纯的FPGA方案，已经无法满足设计的需求。Zynq平台是Xilinx公司推出的行业第一个可扩展处理平台，是一款将ARM Cortex-A9处理器(PS)与低功耗现场可编程逻辑(PL)紧密集成在一起的全可编程片上***(All Programmable SoC)，它将处理器的软件可编程能力及强大的控制能力与FPGA的硬件可编程能力完美结合，性能得到了巨大的提升。采用ZYNQ处理平台，弥补了传统技术存在的缺陷，使***的灵活性和通用性得到大幅地提高。
USB2.0协议和千兆以太网传输接口已无法满足大数据量的高速传输需求，而像PCIE、IEEE 1394等传输接口虽然传输速度更快，但其过程较为复杂，开发难度大。USB3.0协议理论上传输速度为5Gbps,主流芯片实际速率可达3.2Gbps，满足大数据量传输的需求，同时支持热拔插，使用方便，主流配置的PC机都具备该接口。利用ZYNQ平台和USB3.0协议的采集***与传统采集***相比，在大容量数据的实时传输、处理方面都取得了更好的效果。
发明内容
为满足OCT图像采集***在实时性和大容量数据快速传输的需求，本发明提供了一种基于ZYNQ平台的OCT光谱信号采集及传输***，功能是将OCT光谱信号转换为电信号，经过前置放大电路和模数转换电路将其数字化，实时传输到上位机显示及处理。特点是利用ZYNQ平台，灵活的实现对线阵CCD的驱动控制及数据的处理和传输。同时搭配USB3.0协议的传输接口快速地将采集到的数据传送到PC机进行显示，满足目前OCT技术在快速性和实时性上的需求。
其中，CCD传感器采用滨松公司的一款近红外增强型高速线阵CCD，该传感器采用8路模拟电信号同时输出，通道最高线速率可达70KHz，是一款专门针对于OCT技术应用的线阵CCD。
模数转换器使用ADI公司的一款型号为ADDI7004的四通道A/D同步采集转换器，采样速率最高达70MHz,采样精度为14bits,具备CDS相关双采样及VGA可调增益放大器，进一步减小了线阵CCD传感器输出信号中的噪声干扰。同时利用ZYNQ平台PL与PS部分数据的交互，将DDR3设置为共享内存，完成模数转换后原始数据的缓存。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，包括光谱信号产生单元和数据采集传输单元，所述光谱信号产生单元包括光纤接头、准直***、透射式光栅和聚焦透镜；所述的光纤接头接收OCT光学***所产生的低相干干涉光信号；所述的准直***由入射狭缝和准直镜组成，将光线变为平行光，平行入射在光栅上；所述的透射式光栅利用色散性将光束分散成不同波长的多条光束；所述的聚焦透镜用于聚焦光束，其焦平面在CCD表面上，在焦平面上形成不同波长的点构成的一条光谱线；
所述数据采集传输单元包括线阵CCD传感器模块、前置放大模块、模数转换模块、ZYNQ模块、USB3.0数据传输模块、同步触发模块以及电源模块，所述电源模块同时与线阵CCD传感器模块、ZYNQ模块连接，所述线阵CCD传感器模块与前置放大模块连接，所述前置放大模块与模数转换模块连接，所述模数转换模块、同步触发模块均与ZYNQ模块连接，所述ZYNQ模块分别与模数转换模块、线阵CCD传感器模块、USB3.0数据传输模块连接。
进一步，所述的线阵CCD传感器模块与ZYNQ模块相连，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，完成光谱信号到电信号的转变；线阵CCD传感器模块由线阵CCD传感器和CCD驱动电路组成，CCD驱动电路将ZYNQ模块输出的标准TTL电平转化为CCD所需的特定电平。
更进一步，所述的前置放大模块的输入端连接线阵CCD传感器模块的输出端，用于对模拟电信号进行电流放大，提高其带负载的能力。
所述的模数转换模块与前置放大模块的输出端及ZYNQ模块连接，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，将前置放大后的模拟电信号转换为数字信号，同时将数字信号以LVDS的形式传送给ZYNQ模块。
所述的DDR3数据缓存模块与ZYNQ模块连接，总容量1GB，数据总线宽度为32位。在ZYNQ模块的PL端利用FIFO(First Input First Output，先进先出)存储器搭建硬件环境，在PS端移植操作***并将DDR3数据缓存模块设置为共享内存，模数转换后的数字信号首先存入FIFO存储器，然后传输到DDR3数据缓存模块，完成PS与PL部分数据交互及缓存。
所述USB3.0数据传输模块与ZYNQ模块连接，将数据从DDR3数据缓存模块搬运至PC机。
所述同步触发模块与ZYNQ模块相连，从外部接收触发信号并发送至ZYNQ模块，光谱信号的采集依据触发信号进行同步采集。
所述电源模块由外部12V直流电源输入，通过降压转换器得到5V直流电压和3.3V直流电压，进而通过5V直流电压产生其他各模块所需要的多种不同电压，包括19V、14V、8V、6V、1.2V、1.8V、-3V。
在该基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***中，所述的线阵CCD传感器使用滨松公司的一款近红外增强型线阵CCD，型号为S11491，具备2048个像素点，模拟电信号分为8路OS信号同时输出，每通道最高线速率可达70KHz；CCD驱动电路使用40MHz高速CMOS驱动器EL7457；所述的ZYNQ模块使用XC7Z020型号，产生CCD驱动脉冲及模数转换器的采样时序，与DDR3交互数据缓存，产生USB3.0接口时序，接收同步触发信号；所述的模数转换模块使用ADI公司的型号为ADDI7004，采样速率最高达70MHz,采样精度为14bits,具备CDS相关双采样及VGA可调增益放大器；所述的DDR3数据缓存模块使用MT41K256M16HA，容量为1GB；所述的USB3.0模块使用Cypress的USB3.0全协议芯片CYUSB3014，以实际高达390MB/s的速度传输高宽带数据；所述的同步触发模块使用ISO7240芯片，实现外部触发信号隔离输入。
本发明中，为满足OCT技术高速实时性大数据量传输，我们提出了一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***。ZYNQ平台由PS与PL两部分组成，PS部分以ARM Cortex-A9处理器为核心，提供全面的操作***支持；PL部分基于Xilinx 7系列FPGA架构，提供通用硬件可编程资源，具有丰富的扩展能力。为此我们将ZYNQ平台应用于OCT技术上，实现高速高分辨率图像实时性采集。
本发明的有益效果主要表现在：为满足OCT技术在快速性及大数据量高分辨率传输场景的需求，公开了一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，通过USB3.0接口将OCT数据快速搬运至PC机。
1)采集图像分辨率高
线阵CCD传感器使用滨松公司的近红外增强型线阵CCD，型号为S11491，具备2048个像素点，像素尺寸12x 500μm，表示一条光谱线可用2048个点来描绘，同时该线阵CCD在近红外区域量子效率更高，使得图像分辨率也更高。模数转换器采样精度为14位，同时数字信号以LVDS形式传输，噪声更小。
2)采集速度快
我们的线阵CCD传感器为8路OS信号同时输出，也就是说每路通道只需采集2048/8＝256个像素点，速度相比单路OS信号输出的线阵CCD传感器要快的多，每通道最高线速率可达70KHz，同时模数转换器采样率最高可到72MHz，配合USB3.0接口可快速完成数据传输。
3)集成度更高
所采用的的芯片均为高度集成芯片，如模数转换芯片为4路AD同步采集芯片，采用CSP_BGA封装，PCB面积更小，有利于嵌入式应用。
4)适用性广，灵活性高
ZYNQ平台将处理器的软件可编程能力及强大的控制能力与FPGA的硬件可编程能力完美结合，通用性和灵活性高，性能强。同时搭配USB3.0传输接口，只需要一根USB3.0传输线，随插随用，适应性更广，满足大多数PC机应用。
附图说明
图1是基于ZYNQ的光谱信号采集及传输***整体结构图。
图2是光谱信号产生单元结构图。
图3是前置放大模块电路图。
图4是基于ZYNQ的光谱信号采集及传输***工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面参照附图，具体说明本发明的实现过程。
参照图1～图4，一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，包括光谱信号产生单元和数据采集传输单元，所述光谱信号产生单元包括光纤接头、准直***、透射式光栅和聚焦透镜；所述数据采集传输单元包括线阵CCD传感器模块、前置放大模块、模数转换模块、ZYNQ模块、USB3.0数据传输模块、同步触发模块以及电源模块。
所述电源模块同时与线阵CCD传感器模块、ZYNQ模块连接，所述线阵CCD传感器模块与前置放大模块连接，所述前置放大模块与模数转换模块连接，所述模数转换模块、同步触发模块均与ZYNQ模块连接，所述ZYNQ模块分别与模数转换模块、线阵CCD传感器模块、USB3.0数据传输模块连接。
参照图2，所述的光纤接头接收OCT光学***所产生的低相干干涉光信号；所述的准直***由入射狭缝和准直镜组成，将光线变为平行光，平行入射在光栅上；所述的透射式光栅利用色散性将光束分散成不同波长的多条光束；所述的聚焦透镜用于聚焦光束，其焦平面在CCD表面上，在焦平面上形成不同波长的点构成的一条光谱线。
更一步，所述的线阵CCD传感器模块与ZYNQ模块相连，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，完成光谱信号到电信号的转变。线阵CCD传感器模块由线阵CCD传感器和CCD驱动电路组成，CCD驱动电路将ZYNQ模块输出的标准TTL电平转化为CCD所需的特定电平。
更进一步，所述的前置放大模块的输入端连接线阵CCD传感器模块的输出端，用于对模拟电信号进行电流放大，提高其带负载的能力。参照图3，OS信号为线阵CCD输出电信号，三极管Q1使用MMBT3904LT1，用于提高OS信号的驱动能力，OSA信号作为前置放大模块的输出端。
所述的模数转换模块与前置放大模块的输出端及ZYNQ模块连接，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，将前置放大后的模拟电信号转换为数字信号，同时将数字信号以LVDS的形式传送给ZYNQ模块。
所述的DDR3数据缓存模块与ZYNQ模块连接，总容量1GB，数据总线宽度为32位。在ZYNQ模块的PL端利用FIFO(First Input First Output，先进先出)存储器搭建硬件环境，在PS端移植操作***并将DDR3数据缓存模块设置为共享内存，模数转换后的数字信号首先存入FIFO存储器，然后传输到DDR3数据缓存模块，完成PS与PL部分数据交互及缓存。
所述USB3.0数据传输模块与ZYNQ模块连接，将数据从DDR3数据缓存模块搬运至PC机。
所述同步触发模块与ZYNQ模块相连，从外部接收触发信号并发送至ZYNQ模块，光谱信号的采集依据触发信号进行同步采集。
所述电源模块由外部12V直流电源输入，通过降压转换器得到5V直流电压和3.3V直流电压，进而通过5V直流电压产生其他各模块所需要的多种不同电压，包括19V、14V、8V、6V、1.2V、1.8V、-3V。
在该基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***中，所述的线阵CCD传感器使用滨松公司的一款近红外增强型线阵CCD，型号为S11491，具备2048个像素点，模拟电信号分为8路OS信号同时输出，每通道最高线速率可达70KHz；CCD驱动电路使用40MHz高速CMOS驱动器EL7457；所述的ZYNQ模块使用XC7Z020型号，产生CCD驱动脉冲及模数转换器的采样时序，与DDR3交互数据缓存，产生USB3.0接口时序，接收同步触发信号；所述的模数转换模块使用ADI公司的型号为ADDI7004，采样速率最高达70MHz,采样精度为14bits,具备CDS相关双采样及VGA可调增益放大器；所述的DDR3数据缓存模块使用MT41K256M16HA，容量为1GB；所述的USB3.0模块使用Cypress的USB3.0全协议芯片CYUSB3014，以实际高达390MB/s的速度传输高宽带数据；所述的同步触发模块使用ISO7240，实现外部触发信号隔离输入。
参照图4，基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***的工作流程是：设备上电完成初始化后，判断设备是否与PC相连，如果没有连接则设备处于休眠状态，否则设备进一步判断是否有外部触发信号输入，如没有则设备休眠，否则设备进入数据采集及传输模式，ZYNQ模块输出其他各模块所需驱动脉冲，CCD传感器完成光电转换过程，模数转换模块完成模拟信号到数字信号的转换，DDR3数据缓存模块完成数据缓存,通过USB3.0将数据搬运至PC机，完成一次数据传输，设备返回判断是否有触发信号，准备进行下一次数据采集。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于，所述***包括光谱信号产生单元和数据采集传输单元，所述光谱信号产生单元包括光纤接头、准直***、透射式光栅和聚焦透镜，所述的光纤接头接收OCT光学***所产生的低相干干涉光信号；所述的准直***由入射狭缝和准直镜组成，将光线变为平行光，平行入射在光栅上；所述的透射式光栅利用色散性将光束分散成不同波长的多条光束；所述的聚焦透镜用于聚焦光束，其焦平面在CCD表面上，在焦平面上形成不同波长的点构成的一条光谱线；
所述数据采集传输单元包括线阵CCD传感器模块、前置放大模块、模数转换模块、ZYNQ模块、USB3.0数据传输模块、同步触发模块以及电源模块，所述电源模块同时与线阵CCD传感器模块、ZYNQ模块连接，所述线阵CCD传感器模块与前置放大模块连接，所述前置放大模块与模数转换模块连接，所述模数转换模块、同步触发模块均与ZYNQ模块连接，所述ZYNQ模块分别与模数转换模块、线阵CCD传感器模块、USB3.0数据传输模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述的线阵CCD传感器模块与ZYNQ模块相连，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，完成光谱信号到电信号的转变。线阵CCD传感器模块由线阵CCD传感器和CCD驱动电路组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述的前置放大模块的输入端连接线阵CCD传感器模块的输出端，用于对模拟电信号进行电流放大，提高其带负载的能力。前置放大模块由电阻及三极管组合而成，三极管型号为MMBT3904LT1。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述的模数转换模块与前置放大模块的输出端及ZYNQ模块连接，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，将前置放大后的模拟电信号转换为数字信号，同时将数字信号以LVDS的形式传送给ZYNQ模块。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述的DDR3数据缓存模块与ZYNQ模块连接，总容量1GB，数据总线宽度为32位，在ZYNQ模块的PL端利用FIFO存储器搭建硬件环境，在PS端移植操作***并将DDR3数据缓存模块设置为共享内存，模数转换后的数字信号首先存入FIFO存储器，然后传输到DDR3数据缓存模块，完成PS与PL部分数据交互及缓存。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述USB3.0数据传输模块与ZYNQ模块连接，将数据从DDR3数据缓存模块搬运至PC机。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述同步触发模块与ZYNQ模块相连，从外部接收触发信号并发送至ZYNQ模块，光谱信号的采集依据触发信号进行同步采集，同步触发模块使用ISO7240芯片，实现外部触发信号隔离输入。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述电源模块由外部12V直流电源输入，通过降压转换器得到5V直流电压和3.3V直流电压，进而通过5V直流电压产生其他各模块所需要的多种不同电压，包括19V、14V、8V、6V、1.2V、1.8V、-3V。
9.根据权利要求1或2所述的一种基于ZYNQ的OCT光谱信号采集及传输***，其特征在于：所述的ZYNQ模块产生CCD驱动脉冲及模数转换器的采样时序，完成PL部分到PS部分的数据缓存，产生USB3.0接口时序，接收同步触发信号。
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