基于Zynq-7000的CT機高壓控制系統研究

郭 喆，和曉軍

(沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院,遼寧 沈陽 110159)

CT機作為一種疾病診斷及健康檢查的醫療輔助設備，目前已廣泛應用于臨床醫學領域.在CT機掃描過程中，高壓發生器產生穩定的管電流與管電壓，控制球管產生X射線并打到探測器上，從而采集數據并進行圖像重建.在此過程中，高壓發生器的輸出功率、響應速度、穩定性、控制精度等會影響CT機的掃描性能,從而影響掃描圖像的質量.近年來，隨著科技的發展，高壓控制系統正向智能化、集成化和實用化方向飛速發展.同時，嵌入式系統因其良好的實時性、穩定性等，被廣泛用于工業制造的各個領域.傳統CT機的高壓控制部分通常采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作為控制中心，邏輯控制方面的設計繁雜且難以調試.Xilinx公司出品的Zynq-7000可擴展平臺，集成Cortex-A9核心處理器，改變了傳統的分離式FPGA+ARM(Advanced RISC Machines)/DSP(Digital Signal Processing)架構模式，能夠提供集成式、高效快速多核處理的小型化解決方案[1].該平臺以傳統的可編程門陣列FPGA結構為基礎，將處理單元和可編程邏輯資源集成在單個芯片上，把復雜的程序設計放在處理器端，以便于研發人員修改與調試.此外，FPGA與ARM之間采用高速內部總線進行通信，使系統處理數據更加迅速、可靠.鑒于此，本文基于黑金AC7020開發板，從定制IP(Intellectual Property)核的設計，到Linux操作系統的移植和驅動程序設計，從整體上實現CT機的高壓控制系統，并驗證嵌入式系統與FPGA結合的可靠性與靈活性，為Zynq-7000軟硬件的協同開發提供借鑒.

1 系統開發平臺

與傳統上以FPGA為核心的設計思路相比，Zynq-7000可擴展平臺主要采用ARM處理器，而非可編程邏輯元件進行控制.系統能夠在CT機運行時引導并運行各個獨立于可編程邏輯之外的操作系統，通過驅動程序對硬件設備進行管理.這為CT機的整機設計提供了便利.

Zynq-7000可擴展平臺為系統的處理核心，包括可編程邏輯(Programming Logic，PL)和處理系統(Processing System，PS)兩部分[2].其PS部分包括雙核 ARM? CortexTM-A9處理器、512 kB的L2緩存、256 kB的片上存儲器和通用I/O外設端口等；其PL部分包括36 kB的BRAM(Block Random Access Memory)資源、數字信號處理DSP48E1資源、時鐘管理單元、模擬數字轉換器等.PS部分與PL部分之間通過AXI(Advanced eXtensible Interface)接口總線實現通信.本文采用的AXI- GP接口包含兩個32位主設備接口和兩個32位從設備接口.通過接口可訪問PS部分的片內外設.

鑒于Zynq的獨特性質，本文采用IP核來完成軟件設計與硬件設計的協同.基于Zynq-7000搭建的CT機高壓控制系統如圖1所示.其中，上位機利用以太網同Zynq-7000 PS端移植的Linux操作系統進行通信；PL端通過AXI總線與PS端進行高速數據信號傳輸.在PL端，上位機發送的命令經過定制IP核和SPI(Serial Peripheral Interface)邏輯接口的處理，通過通用I/O管腳被送入外部硬件設備，從而實現對高壓發生器的控制.

圖1 基于Zynq-7000搭建的CT機高壓控制系統

2 系統模塊設計

CT機高壓控制系統的模塊設計主要分為PS端、PL端及二者間的通信部分.

2.1 PS端設計

Zynq-7000可擴展平臺采用的是1 GHz ARM? 雙核CortexTM-A9 MPCore處理器.為構建更加靈活的控制系統，在PS端設計時，將Linux系統移植到PS端，并把高壓發生器控制系統的主要控制功能放在更擅長控制的PS端，而將擅長數據處理的PL端作為從機，相當于由PS端所控制的大型“外設接口”.這樣，該平臺總體架構以ARM處理器為主，FPGA為輔，FPGA只是ARM處理器的一個協處理器[3]，可省去PL端設計的許多工作.

傳統的系統移植方法必須進行部分修改才能用于Zynq-7000可擴展平臺。基于Zynq-7000可擴展平臺的Linux系統移植包括：第一階段啟動程序的修改和移植，內核(uImage)與設備樹(devicetree.dtb)的編譯，Boot.bin 鏡像文件的創建與文件系統制作等部分。其中，第一階段啟動程序包括Bootloader程序(通常是U-boot[4])和FSBL(First Stage Boot Loader)程序。

將生成的 Boot.bin文件、編譯后的Linux 系統內核、設備樹文件拷貝到SD卡的FAT格式分區中，并將文件系統放入EXT格式分區，啟動開發板，運行SD卡上的文件，即可完成Linux系統移植。其移植設計框圖如圖2所示。

圖2 Linux系統移植設計框圖

Linux設備驅動分為3類，即字符設備、塊設備和網絡設備.在PS端設計時，需要編寫一個字符設備并以模塊化的形式將其加載到Linux系統上.

在交叉編譯的環境下，生成.ko格式擴展名的驅動文件，使用insmod及rmmod命令進行裝載和卸載，使用Open、Write、Read等底層函數讀寫數據，利用 copy_from_user()、copy_to_user()函數進行用戶層與內核的數據交換，并用ioremap()函數將AXI-Lite總線定義的寄存器地址映射為虛擬地址.這里，需要定義在PL端定制IP核的基地址范圍，一般為0x4000_0000～0x4000_FFFF.

2.2 PL端設計

PL端設計主要圍繞高壓發生器展開。高壓發生器是由高壓直流電源、燈絲驅動電源、陽極驅動電源組成的。在高壓發生器工作時，高壓直流電源施加在X射線管的陰陽兩極而產生電場，為電子加速；燈絲驅動電源施加在X射線管的陰極燈絲上，使球管的燈絲加熱，形成擁有大量游離電子的電子云，為高壓電場提供游離電子；旋轉陽極電源施加于X射線管的陽極，使陽極靶高速旋轉[5]。這3種電源協同工作，控制射線管陰極發射大量游離電子，使電子撞擊在高速旋轉的陽極靶上，電子束所攜帶的能量在遭遇阻擋后，大部分以熱能的形式被消散，而有效的部分能量可激發陽極靶產生 X 射線。在射線掃描人體的同時，探測器采集經過人體的X射線并將其轉換為數字信號后返給計算機系統。計算機系統通過圖像重建而最終形成影像信息。

在設計系統開發平臺與高壓發生器的轉接電路時，采用DS34LV87T四路差分線路驅動器輸出差分信號。在邏輯設計時，利用Verilog語言，設計SPI邏輯接口模塊(圖3)與高壓發生器的通信方案。

圖3 SPI邏輯接口模塊

PL端邏輯設計采用標準的SPI協議，通過通信，由主設備控制次設備。Zynq-7000平臺的PL端作為主設備，高壓發生器作為次設備。次設備的時鐘信號由主設備通過sck_in 管腳提供，同時由cs_in管腳發送片選信號，對次設備進行控制。在數據傳輸過程中，主設備首先發送片選信號，選擇想要訪問的次設備，而后通過控制時鐘信號的極性與相位來保證數據在設備間的同步傳輸。 miso、mosi_in接口分別作為數據的出口、入口，主要用于 SPI 設備發送、接收數據。

2.3 PS端與PL端的通信設計

為提高處理器與FPGA之間的通信速度，實現控制的實時性，可選用高性能、高帶寬、低延遲的片上AXI總線.AXI總線符合AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線標準[6],采用的是READY-VALID握手通信機制.由主機產生的VALID信號指明何時的數據或控制信息有效.從機產生READY信號，表明其已經準備好接收數據或控制信息.

PS端發出的控制參數hv_ref、ie_ref、if_ref信號，分別為千伏、毫安、千瓦，通過邏輯設計由miso接口送給高壓發生器。hv_a_meas、hv_c_meas、ie_meas、if_meas、ia_meas信號是mosi_in管腳接收的由高壓發生器返回的串行數據。通過解析，這些串行數據被并行化，而后返回PS端.

針對PS端與PL端的通信，有研究者使用Vivado Desgin Suite軟件進行設計[7]，仍有需改進之處.本文采用AXI_GP接口，以PS端作為主設備，PL端作為從設備，且在設計PS端與PL端的通信時自定義一個AXI-Lite的IP核(圖4)，用來設置數據寬度、寄存器個數.它也可用于修改頂層文件，以設計輸出輸入端口.

在設計時，考慮到需要從高壓發生器讀取大量數據信息，同時還要向高壓發生器發送配置參數，因此定義了16個寄存器。通信時，PS端通過寄存器尋址的方式對PL端進行讀寫操作.對于高壓發生器的參數配置，通過Linux應用程序寫入預先設定地址的寄存器，并通過AXI4-Lite總線發送給PL端。當PL端返回高壓發生器狀態信息時，PS端從總線上讀取數據，并將讀取的數據放入寄存器.IP核定義的16個寄存器(reg0～reg15)與AXI-Lite總線相連，PS端可以通過2個寄存器(reg0～reg1)向高壓發生器發送參數及控制命令;后14個寄存器(reg2～reg15)的功能是存放高壓發生器的狀態信息及實時數據值.

實驗表明，PS端與PL端的通信采用AXI總線，通信速度達到了300 Mb/s，能夠滿足控制系統高速傳輸信號的需求.

3 系統實現

Vivado軟件中模塊的設計是以IP核形式提交的[8].在Vivado軟件中加載各模塊,可搭建整套系統.首先，將所編譯的內核(uImage)、設備樹(devicetree.dtb)和Boot.bin拷貝到SD卡上，并制作文件系統，安裝驅動程序，同時將開發板連接到轉接板上；其次,使轉接板通過RS-485接口協議連接高壓發生器，啟動Zynq-7000可擴展平臺并運行Linux系統，系統上電后，將 FSBL程序加載到內存，完成PS端的初始化，并由Bootloader程序為Linux內核配置初始化信息及重要外設參數；然后，通過設備樹文件將硬件設備信息傳給內核，把控制權交給 Linux 系統內核[9]；最后，將上位機通過串口調試助手連接到超級終端上，裝載驅動，并運行執行文件。圖5所示為高壓發生器硬件設備平臺圖片.

圖4 AXI-Lite IP核接口選項界面

圖5 高壓發生器硬件設備平臺圖片

系統實現的具體流程為:

mount/dev/mmcblk0p1/mnt //掛載SD卡

cd/mnt //進入SD目錄

insmod HV.ko //裝載HV驅動

lsmod //查看驅動信息

./start_hv.py //執行命令文件系統的測試信息如圖6所示.

啟動上電，燈絲電流關閉，交流接觸器閉合，等待6 s，燈絲電流設置為2 A，可觀察到高壓發生器工作正常.因此，基于Zynq-7000的CT機高壓控制系統能夠實現對高壓發生器的準確控制.

圖6 系統的測試信息

4 結束語

本文基于Zynq-7000開發板，通過軟硬件協同工作，從電路邏輯設計、Linux系統移植及驅動程序編寫等方面介紹了CT機高壓發生器控制系統的整體架構.本控制系統的設計，使用Zynq-7000可擴展平臺，整體集成度較高，省掉了通信總線的資源消耗和大量邏輯設計工作；采用AXI總線方式，滿足了高通信速度的要求.

通過系統實現可知，基于Zynq-7000可擴展平臺設計的高壓控制系統，能夠實現對CT機高壓發生器的準確控制.