用于編碼成像的在線(xiàn)可編碼同步控制系統(tǒng)和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可編碼成像同步控制領(lǐng)域，尤其涉及一種用于編碼成像的在線(xiàn)可編碼 同步控制系統(tǒng)和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在線(xiàn)可編碼同步控制技術(shù)可為激光距離選通成像、熒光壽命成像等可編碼成像技 術(shù)領(lǐng)域提供同步控制技術(shù)。在線(xiàn)可編碼同步控制通過(guò)在線(xiàn)產(chǎn)生多路可在線(xiàn)編碼TTL信號(hào)觸 發(fā)同步工作器件完成同步控制技術(shù)，多路TTL信號(hào)之間的相對(duì)延時(shí)和脈寬可以進(jìn)行在線(xiàn)自 由編碼。在線(xiàn)同步控制技術(shù)使用戶(hù)進(jìn)行可編碼成像時(shí)可在線(xiàn)實(shí)時(shí)配置，增加了用戶(hù)的可操 作性?？删幋a性能則擴(kuò)大了成像的單幀圖像的景深。因此在線(xiàn)可編碼同步控制同時(shí)使成像 技術(shù)中的同步控制更加便于操作并且增加了單幀圖像的成像景深，具有重要的研宄意義。
[0003] 以可編碼激光距離選通超分辨率成像技術(shù)為例說(shuō)明在線(xiàn)可編碼同步控制技術(shù)的 重要性。傳統(tǒng)的超分辨率激光距離選通成像技術(shù)同步控制是產(chǎn)生三路具有相對(duì)延時(shí)和不 同脈寬的TTL序列信號(hào)分別去觸發(fā)CCD、選通門(mén)和激光使其完成選通成像，在一幀圖像中即 CCD為高電平時(shí)，激光和選通門(mén)門(mén)寬是固定的并且兩者之間的相對(duì)延時(shí)也是固定的。激光和 選通門(mén)之間的相對(duì)延時(shí)為固定值，因此一張圖像的景深是固定的。為完成超分辨率三維成 像，需要對(duì)多張具有不同延時(shí)值的照片進(jìn)行重疊區(qū)的反演，這樣大大減少了探測(cè)的效率和 實(shí)時(shí)性?？删幋a激光距離選通超分辨率成像技術(shù)同樣通過(guò)產(chǎn)生三路觸發(fā)TTL序列信號(hào)分別 觸發(fā)脈沖激光、選通門(mén)和CCD實(shí)現(xiàn)選通成像。但是三路觸發(fā)TTL序列信號(hào)之間存在著特定 的匹配關(guān)系，三路觸發(fā)TTL序列信號(hào)按照一定的編碼方式觸發(fā)脈沖激光器、選通門(mén)和CCD進(jìn) 行工作。在該技術(shù)中，激光器、選通門(mén)和CCD的編碼工作使的一張圖片中具有多個(gè)延時(shí)數(shù)值 從而大大增大了單幀圖像的景深，因此增加了探測(cè)的效率和實(shí)時(shí)性。
[0004] 目前在激光距離選通成像技術(shù)領(lǐng)域，用于同步控制技術(shù)的器件主要有基于數(shù)字延 時(shí)脈沖發(fā)生器、基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD)、基于可編程延時(shí)芯片和基于現(xiàn)場(chǎng)可編程 邏輯門(mén)陣列（FPGA)。數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器控制精度搞，但其體積龐大、負(fù)載重、系統(tǒng)復(fù)雜， 所有參數(shù)均通過(guò)手動(dòng)按鈕操作，因此器件的靈活性和便攜性較差，不利于選通成像系統(tǒng)實(shí) 用化。CPLD因其具有可編程功能，體積小、延時(shí)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但器組合邏輯資源豐富、時(shí) 序邏輯資源相對(duì)較少，存在產(chǎn)生脈沖技術(shù)存在延時(shí)大，控制精度不高等問(wèn)題。可編程延時(shí) 芯片具有可編程、延時(shí)精度高，延時(shí)范圍較大等優(yōu)點(diǎn)，但是可編程延時(shí)芯片采用的是模擬技 術(shù)，沒(méi)有數(shù)字芯片穩(wěn)定性高。FPGA體積小、邏輯清晰，含有鎖相環(huán)，延時(shí)范圍大，十分適合邏 輯設(shè)計(jì)和時(shí)序約束，因此是選通成像同步控制的理想器件。
[0005] 熒光壽命成像技術(shù)通過(guò)探測(cè)自體熒光及外源熒光壽命成像，為病變組織分辨、組 織生理活動(dòng)探測(cè)提供成像手段。其主要實(shí)現(xiàn)方法包括頻域法和時(shí)域法兩種。其中時(shí)域法相 比如頻域法有更高的時(shí)間分辨率，門(mén)控方法具有成像速度快和可用于寬場(chǎng)成像等優(yōu)勢(shì)。時(shí) 域法中的門(mén)控方法通過(guò)控制激光和成像鏡頭之間的同步工作來(lái)完成成像，激光發(fā)射時(shí)間和 成像器件工作之間的延時(shí)和熒光壽命相關(guān)，通常采用多張分別具有不同延時(shí)的圖像來(lái)反演 熒光的壽命，從而實(shí)時(shí)性和成像效率較低。在線(xiàn)可編碼同步控制技術(shù)同樣可增加其成像效 率，使單幀圖像上具有多個(gè)延時(shí)，因此單幀圖像上即可完成熒光壽命的反演使熒光壽命反 演工作大大減少。門(mén)控?zé)晒鈮勖上裣到y(tǒng)常用同步控制技術(shù)主要有光延時(shí)技術(shù)和電延時(shí)技 術(shù)兩種，電延時(shí)技術(shù)裝置相比光延時(shí)技術(shù)靈活性更高并且具有可編碼性能，常用的電延時(shí) 裝置為基于數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器和基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA)。數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生 器控制精度搞，但其所有參數(shù)均通過(guò)手動(dòng)按鈕操作，因此器件的靈活性和便攜性較差，不利 于熒光壽命成像系統(tǒng)實(shí)用化，F(xiàn)PGA相比于數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器延時(shí)精度較低，但其體積小、 邏輯清晰，含有鎖相環(huán)，十分適合邏輯設(shè)計(jì)和時(shí)序約束，因此是熒光壽命成像同步控制的理 想器件。
[0006] 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列FPGA具有延時(shí)范圍大，邏輯資源豐富，十分適合邏輯設(shè)計(jì) 和時(shí)序約束，因而被廣泛用在超分辨率激光同步成像和熒光壽命成像技術(shù)等同步控制系統(tǒng) 中。目前基于FPGA的時(shí)序控制系統(tǒng)的時(shí)鐘控制精度在納秒量級(jí)，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)利大多集中在 同步控制TTL信號(hào)的脈寬精度和延時(shí)精度上，如專(zhuān)利CN103368543A和CN201410837006. 4 在使用FPGA作為同步控制芯片的前提下實(shí)現(xiàn)了 ps級(jí)脈寬和ns級(jí)延時(shí)的同步TTL信號(hào)的 產(chǎn)生，沒(méi)有針對(duì)可編碼成像技術(shù)的同步控制方法出現(xiàn)。本發(fā)明提出一種使用FPGA和微控制 器實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)可編碼多路TTL信號(hào)產(chǎn)生的方法，該技術(shù)為可編碼超分辨率距離選通成像技術(shù) 和熒光壽命成像技術(shù)提供同步時(shí)序控制技術(shù)支持，因此具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決技術(shù)背景中所述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種在線(xiàn)可編碼同步控制技術(shù)。該 發(fā)明通過(guò)微控制器和可編程邏輯門(mén)陣列FPGA實(shí)現(xiàn)多路在線(xiàn)可編碼TTL信號(hào)輸出。多路TTL 信號(hào)之間的相對(duì)延時(shí)和脈寬均可以進(jìn)行在線(xiàn)編碼，從而為可編碼超分辨率激光距離選通成 像、熒光壽命成像等需要同步控制的領(lǐng)域提供在線(xiàn)可編碼觸發(fā)時(shí)序信號(hào)，使得同步控制的 實(shí)時(shí)性提高、操作簡(jiǎn)單，同步控制系統(tǒng)的集成度更高。
[0008] 本發(fā)明提供一種用于編碼成像的在線(xiàn)可編碼同步控制系統(tǒng)和控制方法，該方法包 括：上位機(jī)通過(guò)串口通信向微控制器發(fā)送編碼時(shí)序控制參數(shù)，微控制器對(duì)得到的時(shí)序參數(shù) 進(jìn)行解碼、譯碼；然后微控制器根據(jù)解碼得到的時(shí)序參數(shù)控制現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列FPGA 通過(guò)硬件電路多路實(shí)現(xiàn)可編碼TTL信號(hào)輸出，最后多路可編碼TTL信號(hào)分別用來(lái)觸發(fā)相應(yīng) 的工作器件以完成同步控制。
[0009] 上述方案中，同步控制系統(tǒng)由上位機(jī)、微控制器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA組成； [0010] 上述方案中，在線(xiàn)是指可實(shí)時(shí)配置各路信號(hào)的各個(gè)時(shí)序參數(shù)；
[0011] 上述方案中，N為不小于2的自然數(shù)，用戶(hù)可以根據(jù)需求自由設(shè)置N值。
[0012] 上述方案中，上位機(jī)在線(xiàn)向微控制器發(fā)送的時(shí)序控制參數(shù)包括：N路可編碼信號(hào) 的頻率、相對(duì)延時(shí)、脈寬和編碼方式信息。
[0013] 上述方案中，N路在線(xiàn)可編碼信號(hào)的可編碼性能體現(xiàn)在N路信號(hào)之間的相對(duì)延時(shí) 和各個(gè)信號(hào)的脈寬均可以遵照用戶(hù)設(shè)計(jì)的自由編碼進(jìn)行配置。
[0014] 上述方案中，其特征是N路在線(xiàn)可編碼信號(hào)的精度要求可以通過(guò)設(shè)計(jì)可編程邏輯 門(mén)陣列FPGA中內(nèi)部硬件電路達(dá)到。
[0015] 上述方案中，可編程邏輯門(mén)陣列FPGA實(shí)現(xiàn)的電路模塊包括頻率管理模塊、脈寬控 制模塊、延時(shí)管理模塊和其他邏輯器件組成。頻率管理模塊完成時(shí)鐘信號(hào)的分頻和倍頻處 理以達(dá)到所需信號(hào)的精度的時(shí)鐘信號(hào)，脈寬模塊完成對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)N路脈寬可控 的TTL信號(hào)，延時(shí)管理模塊實(shí)現(xiàn)在N路脈寬可控的TTL信號(hào)引入對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終 達(dá)到N路TTL信號(hào)的脈寬和延時(shí)均可進(jìn)行配置。
[0016] 上述方案中，N路在線(xiàn)可編碼信號(hào)在同一片可編程邏輯門(mén)器件FPGA芯片輸出。
[0017] 上述方案中，N路可編碼信號(hào)分別用來(lái)觸發(fā)各種同步控制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)同步控制的 器件的可編碼同步控制。
[0018] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0019] 1.利用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)可編碼同步控制，各路TTL觸發(fā)信號(hào)的脈寬及延時(shí) 均可調(diào)且具有可編碼性，所以，本發(fā)明可用于距離選通成像、熒光壽命成像等編碼成像技術(shù) 領(lǐng)域的同步控制，尤其是需在線(xiàn)改變多個(gè)延時(shí)及脈寬等時(shí)域參數(shù)的同步控制。
[0020] 2.利用本發(fā)明，由于采用同步控制的微控制器和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列FPGA均 為可編程器件，所以該發(fā)明中的同步控制方法具有較好的可拓展性，N路在線(xiàn)可編碼信號(hào)的 精度要求可以通過(guò)設(shè)計(jì)如圖1中各個(gè)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可達(dá)到。
[0021] 3.利用本發(fā)明，由于時(shí)序參數(shù)可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送，下位機(jī)僅通過(guò)微控制器 和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列FPGA產(chǎn)生在線(xiàn)可編碼時(shí)序信號(hào)，所以本發(fā)明可以使距離選通成 像、熒光壽命成像等編碼成像技術(shù)領(lǐng)域多個(gè)領(lǐng)域的同步控制更加方便操作和控制，使同步 控制系統(tǒng)集成度更高。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及