嵌入式OCT集成控制系统设计与开发
这是一篇关于光学相干层析成像,嵌入式设计,ARM9,高速DA,步进电机的论文, 主要内容为光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术是一新近发展的高分辨率的生物医学成像手段，它基于低相干成像术，同时结合了共焦成像和外差探测方法的优点，能非侵入性地对活体内部的结构与生理功能进行可视化观察。OCT技术只需借助光这个媒介，不需要进行诸如生理切片等创伤手段来进行探测，故而无任何辐射危险以及没有任何创伤，远比之前的医学影像技术安全，能够胜任无损检测，被称之为“光学活检”。OCT技术不仅可以应用于活体组织的结构成像，还能在功能成像领域得到广泛应用，通过各种算法可以获得活体组织的各种组织特性，如多普勒流速、折射率、光谱特性等等。 OCT系统的目标是能够应用于临床，并产生理想的社会和经济效益。因此将OCT系统需要的各种信号发生模块和控制模块采用集成化、智能化、小型化的改进设计，即嵌入式的优化设计，是实现OCT成像系统低成本、小型化和仪器化的关键之一。本文在分析单模光纤型OCT系统原理和工作过程的基础上，提出了将快速扫描延迟线(RSOD)、位相调制器(Phase Modulator)、探测扫描控制信号以及扫描信号的放大滤波电路等，统一于以ARM9为核心的嵌入式光纤型OCT集成控制系统的设计思想。在这种设计思想下，快速扫描延迟线中振镜驱动三角波、DAQ卡同步方波、位相调制器中的高频锯齿波，采用高速DA和相应的逻辑电路产生；同样，探测扫描控制信号模块中的步进电机、位移控制台也由ARM9核心通过驱动芯片与电路直接控制；从而摒弃了由多个通用仪器组成的构建复杂、价格昂贵的分立式光纤型OCT系统结构，并且由于嵌入式Linux操作系统的引入，使得系统具有开发和成本低、可扩展性能好、实时控制功能强、稳定性好等特点。实验结果表明，该嵌入式光纤型OCT控制系统在扫描速度、扫描范围和成像分辨率等方面均能达到设计要求。
嵌入式OCT集成控制系统设计与开发
这是一篇关于光学相干层析成像,嵌入式设计,ARM9,高速DA,步进电机的论文, 主要内容为光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术是一新近发展的高分辨率的生物医学成像手段，它基于低相干成像术，同时结合了共焦成像和外差探测方法的优点，能非侵入性地对活体内部的结构与生理功能进行可视化观察。OCT技术只需借助光这个媒介，不需要进行诸如生理切片等创伤手段来进行探测，故而无任何辐射危险以及没有任何创伤，远比之前的医学影像技术安全，能够胜任无损检测，被称之为“光学活检”。OCT技术不仅可以应用于活体组织的结构成像，还能在功能成像领域得到广泛应用，通过各种算法可以获得活体组织的各种组织特性，如多普勒流速、折射率、光谱特性等等。 OCT系统的目标是能够应用于临床，并产生理想的社会和经济效益。因此将OCT系统需要的各种信号发生模块和控制模块采用集成化、智能化、小型化的改进设计，即嵌入式的优化设计，是实现OCT成像系统低成本、小型化和仪器化的关键之一。本文在分析单模光纤型OCT系统原理和工作过程的基础上，提出了将快速扫描延迟线(RSOD)、位相调制器(Phase Modulator)、探测扫描控制信号以及扫描信号的放大滤波电路等，统一于以ARM9为核心的嵌入式光纤型OCT集成控制系统的设计思想。在这种设计思想下，快速扫描延迟线中振镜驱动三角波、DAQ卡同步方波、位相调制器中的高频锯齿波，采用高速DA和相应的逻辑电路产生；同样，探测扫描控制信号模块中的步进电机、位移控制台也由ARM9核心通过驱动芯片与电路直接控制；从而摒弃了由多个通用仪器组成的构建复杂、价格昂贵的分立式光纤型OCT系统结构，并且由于嵌入式Linux操作系统的引入，使得系统具有开发和成本低、可扩展性能好、实时控制功能强、稳定性好等特点。实验结果表明，该嵌入式光纤型OCT控制系统在扫描速度、扫描范围和成像分辨率等方面均能达到设计要求。
嵌入式Linux+Qt智能司钻监控终端设计
这是一篇关于石油钻机,智能司钻监控终端,嵌入式设计,多线程实时通信,图形用户界面的论文, 主要内容为司钻监控终端是用于监控石油钻机的运行状况和控制钻井生产过程的关键设备。由于钻井技术的不断发展和待钻地层的复杂性,钻井生产对监控终端的实时响应性能和测控的准确性能,提出了更高的要求。但目前采用工业组态方法所开发的司钻监控终端存在实时性较差、系统移植成本较高等工程实际问题。论文针对某型自动化石油钻机的监控需求,基于Linux操作系统和Qt应用程序开发框架的开发思路,完成了网络实时通信、实时数据库及图形用户界面等功能模块的开发,并通过实验运行验证了设计的合理性和有效性。主要研究内容与阶段性成果如下:1、以某型自动化石油钻机为研究对象,剖析了其司钻监控终端业务处理流程,基于嵌入式Linux&Qt的智能司钻监控终端设计方法,设计了司钻监控终端的系统总体设计方案和软件分层架构。2、分析了司钻监控终端与钻机的其他设备之间的网络通信、数据处理和人机交互的关系,建立了监控终端的数据流转模型。基于Qt信号事件通知机制,设计了监控终端的多线程实时数据交互模块。采用套接字(Socket)网络编程方法,实现了司钻监控终端与钻机的其他设备之间的网络通信功能。3、分析了智能司钻监控终端个性化与定制化的应用需求,基于面向对象的设计思想,采用分辨率自适应算法和双缓冲动态绘图方法,设计了自定义动态控件,以保证控件和界面能够自动适应不同屏幕的分辨率;采用分区动态显示方法,开发了司钻监控终端的顶驱装置、泥浆泵、绞车等用户界面。将在家用计算机上开发的智能司钻监控终端软件,移植并嵌入到石油钻机的司钻虚拟仿真系统中,开展了接立根自动钻进等工程应用测试。测试结果表明,智能司钻监控终端实现了多任务实时监控的功能,且系统运行稳定,画面简约生动,数据交互准确,界面刷新快捷,软件移植性好。相较于使用组态方式开发的司钻监控终端,数据刷新周期从250ms缩短到100ms,系统的动态响应性能得到了显著提升。这些研究工作可为进一步提高自主研发智能司钻监控终端的技术性能提供有益参考。
基于PVDF柔性压电薄膜的性能优化与嵌入式设计开发
这是一篇关于静电纺丝,PVDF纳米纤维膜,脉冲计数仪,自供电触摸板,嵌入式设计的论文, 主要内容为聚偏氟乙烯(PVDF)具有高的物理化学稳定性和压电性,其作为传感器的应用受到科研工作者的广泛关注。静电纺丝法制备自支撑纳米纤维膜是一种新型的技术手段,是提高PVDF固有压电性质并赋予其可弯折柔性的有效方法。为提高PVDF薄膜的压电性能,本文以PVDF为基底,通过原位共混掺杂法,制备出复合PVDF静电纺丝柔性纤维膜;采用多种现代分析手段对所制备材料进行了形貌表征和性能测试。根据纤维膜不同的压电输出特性,设计开发了两种应用方向的嵌入式软硬件集成系统。本论文的主要研究内容如下:(1)基于PVDF二元掺杂纤维膜的可穿戴脉冲计数仪为获得具有良好经济性、机械性、压电性(高β相含量)的PVDF压电传感器。首先是材料的制备:以PVDF溶液为基础液,一定比例的纳米Zn O和纳米碳粉与之混合作为电纺丝溶液,通过静电纺丝法制备出二元掺杂PVDF纳米纤维膜。其次是电路设计:根据所制备薄膜的特性(压电特性、输出范围、机械性能)和应用场景,确定硬件电路主要组成为:放大电路,数字化电路,主控芯片(单片机),显示电路。PVDF纳米纤维膜位于放大电路的输入端。最后,信号处理电路中,各组件之间的数据传输需要紧密衔接,并对显示信号所表达的涵义进行可视化‘翻译’。因此进行了以下程序设计:一、芯片通信以及信号传输程序设计,用以进行单片机与显示器之间的数据交流;二、单片机对信号的运算处理程序,读取单片机在固定时长内检测到的脉冲次数,经过运算处理转化为速率。通过多种现代表征手段分析了薄膜的形貌和结构,证实了其β相含量与机械性能的提高。通过嵌入式仿真软件和编程软件,对电路的合理性、程序的主要功能进行测试。最后根据整体设计组装‘计数仪’,成功构建了一种计数准确、灵敏度高,传感部分可穿戴,电路部分可集成的脉冲计数仪模型。(2)基于PVDF三元掺杂纤维膜的自供电大面积柔性触摸板为了解决PVDF静电纺丝纤维膜本身机械强度较低,易粉末化、难于从收集板上分离的问题。在上一章二元掺杂PVDF薄膜的基础上,进一步添加Si O2纳米颗粒改性剂以提高材料的韧性和压电性能。具体而言,将一定比例的正硅酸乙酯(TEOS)与氨水混合,充分反应后,将所配制的溶液通过静电纺丝法制备出Zn O-C-Si O2三元掺杂PVDF纳米纤维膜。该纤维膜的韧性强度得到显著增强,并且从收集板上可完整取下而无破碎。大面积、完整的PVDF三元掺杂纳米纤维膜的成功制备为构建触摸板提供了材料基础。在纳米纤维膜下加上铝箔导电层,以便对纤维膜按压信号进行多点位取样和传递。信号处理电路主要组成为:放大电路,A/D转换电路,参考电压电路,主控芯片(单片机),显示电路等。程序设计以‘定位算法’为核心,以单片机、A/D转换芯片以及显示器之间的数据流为‘骨架’。最终实现按压不同区域,可显示响应区域编号的输入输出转换。通过多种现代表征手段分析了薄膜的形貌和结构,证实了其β相含量与机械性能的进一步提高。通过嵌入式仿真软件和编程软件,对电路的合理性、程序所要实现的主要功能进行测试。最后根据整体设计组装‘触摸板’,成功构建了一种新型的自供电大面积柔性触摸板设备模型。
基于嵌入式的先天性心脏病辅助诊断系统设计与实现
这是一篇关于先天性心脏病,辅助诊断系统,心音信号处理,嵌入式设计,硬件加速的论文, 主要内容为先天性心脏病是危害我国儿童、青少年的严重心血管疾病。目前,先天性心脏病的初诊、筛查是通过专业医生借助听诊器通过心脏听诊判断受试者心音是否异常,再对疑似患者行“超声心动图”检查进行确诊。这需要丰富的临床经验,基层乡镇卫生院的医生不易掌握。目前,先心病初诊主要依靠省级医疗队下乡筛查,这需耗费大量的人力、物力、财力,且效率低,漏诊、误诊时有发生。以上诸多因素,导致许多先心病患儿不能及时得到诊断并及时治疗。为此本研究旨在开发一套基于嵌入式的便携式先心病辅助诊断设备,该设备克服了其他先心病筛查设备对网络的依赖,便于在临床初诊和大规模筛查先心病中使用。系统由STM32、Raspberry Pi和SoC-FPGA等构成,Raspberry Pi通过以太网向SoC-FPGA发送指令和数据并实施控制。在Raspberry Pi中,实现了心音信号数据采集、去噪、分割和特征提取,最终生成二维心音特征图;在SoC-FPGA中移植了心音分类算法并实现了对该算法的加速。本文研究的主要内容分为4个部分:(1)设计基于STM32的无线心音心电采集电路,该心音心电采集电路由心音传感器The one、心电放大器AD8232、模数转换器AD7606、STM32最小系统和蓝牙模块构成,旨在通过无线心音心电采集电路采集良好的心音心电信号并通过蓝牙将信号发送给Raspberry Pi或其他移动端。(2)心音信号的预处理以及特征提取,在Raspberry Pi得到心音信号后,首先对原始的心音信号进行小波去噪、使用持续隐马尔可夫模型对心音进行分割提取单周期心音信号、再对单周期心音信号进行短时傅里叶变换得到心音时频域图,最后取时频域图的等值线作为心音分类的特征图。(3)心音分类算法的设计与算法加速方案,本研究选用卷积神经网络作为心音分类算法,并通过Open CL模型将该算法移植到FPGA中。首先计算出心音分类算法的计算复杂度和空间复杂度,并利用Roofline Model分析硬件平台的性能瓶颈。然后结合Roofline Model提出优化方案,在卷积计算中通过降低并行度,牺牲时间将硬件资源控制在可接受的范围内,卷积运算的过程中,当计算结果满足一次池化要求时,即可进行池化操作,无需等到卷积层计算完成后进行池化;全连接层中通过批量数据计算方法减少全局内存的访问次数,同时采用分段计算简化矩阵乘法运算过程。(4)Raspberry Pi与SoC-FPGA之间的通信,使用Raspberry Pi中的Putty工具登录到FPGA,并通过以太网向SoC-FPGA传输特征图,完成特征图的传送后FPGA利用移植在其中的算法对特征图进行前向推理后得到心音分类结果,并将结果发送给Raspberry Pi。本设计验证结果表明:无线心音心电采集电路能发送出信号质量较好的心音心电数据,同时Raspberry Pi可接收到较高质量的心音心电信号,Raspberry Pi能较好的完成心音信号的去噪、分割和特征提取任务。在相同的实验条件下,SoC-FPGA心音分类速度是PC(核心芯片为Intel core i5-5200 CPU)的22.74倍,且心音分类精度无明显下降。该系统实时性效果较好、便于携带,为偏远无网络地区的先心病辅助诊断提供了一种离线的解决方法。
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