北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 5IX 页 单位代码 10006 学 号 10101045 1分类号 TN953 毕业设计(论文)高速振镜扫描控制系统的研制 学院名称生物与医学工程学院 专业名称生物医学工程 学生姓名曹 桂 明 指导教师李 昂 2014年 5月 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 VI 页 高速振镜扫描控制系统的研制 曹桂明北京航空航天大学 本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者： 曹 桂 明签字：时间：2014年 5 月高速振镜扫描控制系统的研制 学 生：曹桂明 指导教师：李 昂摘 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The development of high-speed galvanometer scanning control systemAuthor : Cao Guiming Tutor : Li AngAbstractOptical coherence tomography (OCT) is a novel technique that enables noninvasive or minimally invasive, cross-sectional imaging of biological tissue at sub-10m spatial resolution and up to 2-3mm imaging depth. This technology is known for the shallow images of soft tissue morphology. It has gained wide clinical application in the field of ophthalmology, cardiology, gastroenterology, etc. On the basis of the existing conditions in our laboratory, we develop a three-dimensional OCT imaging control system.On the hardware side, we design the control board through the integration of various control sections. First, we designed a four-axis stepper motor control board so that the stepper motors can be either programmed or manually controlled, the control board can control the movement of platform X, Y axis, Z -axis scanning lens focal length adjustment and the angle of rotation adjustment; On the other hand, we designed the control board of galvanometer scanning and linear array camera, which is the core of the whole control system. Through digital-to-analog conversion and amplification, PC commands were converted to an analog voltage signal to control the deflection of the galvanometer; then through the AD converter, position of the galvanometer was feedback to the host computer, to trigger the sampling line array camera exposure at the right time. On the software side, the software should identify stepper motors inputs, including direction / pulse and CW / CCW input methods, on the one hand. We select the appropriate control mode by dialing switch, and the board can output the corresponding control signals. On the other hand, the software controls the scanning galvanometer deflection and linear array camera based on the FPGA. The FPGA software system controls the entire process, including the serial communication module, digital-to-analog conversion module and analog-to-digital conversion module. We use Verilog HDL programming language to design the whole system. The FPGA controls each module in parallel, greatly improved the speed and accuracy of the system.This control system has been proved by experiments that it is able to makethe triangle wave sweep frequency up to 170 Hz. So it can produce a 3-D image of 340 pixels * 340 pixels * 512 pixels per second with linear array camera. Compared with the existing OCT system in the laboratory, the three dimensional imaging speed has been raised by more than 300 times.Key words：Optical coherence tomography, three-dimensional imaging,scanning galvanometer, stepper motor目录目录51 绪论11.1 研究背景及现实意义11.2 国内外研究现状21.3 论文构成及研究内容42高速振镜扫描控制系统原理及组成52.1 光学相干层析成像原理52.2高速振镜扫描控制系统概述82.2.1系统机械结构82.2.2 扫描振镜92.2.3 滑台102.2.4 步进电机112.2.5 控制系统概述113 高速振镜扫描控制系统的控制板卡设计133.1 四轴步进电机驱动控制133.1.1 PIC单片机控制电路133.1.2 CPLD控制电路153.2振镜扫描及相机触发驱动控制163.2.1 电源模块163.2.2 串口通信模块173.2.3 DA转换模块