用于编码成像的在线可编码同步控制系统和控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可编码成像同步控制领域，尤其涉及一种用于编码成像的在线可编码 同步控制系统和控制方法。
【背景技术】
[0002] 在线可编码同步控制技术可为激光距离选通成像、荧光寿命成像等可编码成像技 术领域提供同步控制技术。在线可编码同步控制通过在线产生多路可在线编码TTL信号触 发同步工作器件完成同步控制技术，多路TTL信号之间的相对延时和脉宽可以进行在线自 由编码。在线同步控制技术使用户进行可编码成像时可在线实时配置，增加了用户的可操 作性。可编码性能则扩大了成像的单帧图像的景深。因此在线可编码同步控制同时使成像 技术中的同步控制更加便于操作并且增加了单帧图像的成像景深，具有重要的研宄意义。
[0003] 以可编码激光距离选通超分辨率成像技术为例说明在线可编码同步控制技术的 重要性。传统的超分辨率激光距离选通成像技术同步控制是产生三路具有相对延时和不 同脉宽的TTL序列信号分别去触发CCD、选通门和激光使其完成选通成像，在一帧图像中即 CCD为高电平时，激光和选通门门宽是固定的并且两者之间的相对延时也是固定的。激光和 选通门之间的相对延时为固定值，因此一张图像的景深是固定的。为完成超分辨率三维成 像，需要对多张具有不同延时值的照片进行重叠区的反演，这样大大减少了探测的效率和 实时性。可编码激光距离选通超分辨率成像技术同样通过产生三路触发TTL序列信号分别 触发脉冲激光、选通门和CCD实现选通成像。但是三路触发TTL序列信号之间存在着特定 的匹配关系，三路触发TTL序列信号按照一定的编码方式触发脉冲激光器、选通门和CCD进 行工作。在该技术中，激光器、选通门和CCD的编码工作使的一张图片中具有多个延时数值 从而大大增大了单帧图像的景深，因此增加了探测的效率和实时性。
[0004] 目前在激光距离选通成像技术领域，用于同步控制技术的器件主要有基于数字延 时脉冲发生器、基于复杂可编程逻辑器件（CPLD)、基于可编程延时芯片和基于现场可编程 逻辑门阵列（FPGA)。数字延时脉冲发生器控制精度搞，但其体积庞大、负载重、系统复杂， 所有参数均通过手动按钮操作，因此器件的灵活性和便携性较差，不利于选通成像系统实 用化。CPLD因其具有可编程功能，体积小、延时范围大等优点，但器组合逻辑资源丰富、时 序逻辑资源相对较少，存在产生脉冲技术存在延时大，控制精度不高等问题。可编程延时 芯片具有可编程、延时精度高，延时范围较大等优点，但是可编程延时芯片采用的是模拟技 术，没有数字芯片稳定性高。FPGA体积小、逻辑清晰，含有锁相环，延时范围大，十分适合逻 辑设计和时序约束，因此是选通成像同步控制的理想器件。
[0005] 荧光寿命成像技术通过探测自体荧光及外源荧光寿命成像，为病变组织分辨、组 织生理活动探测提供成像手段。其主要实现方法包括频域法和时域法两种。其中时域法相 比如频域法有更高的时间分辨率，门控方法具有成像速度快和可用于宽场成像等优势。时 域法中的门控方法通过控制激光和成像镜头之间的同步工作来完成成像，激光发射时间和 成像器件工作之间的延时和荧光寿命相关，通常采用多张分别具有不同延时的图像来反演 荧光的寿命，从而实时性和成像效率较低。在线可编码同步控制技术同样可增加其成像效 率，使单帧图像上具有多个延时，因此单帧图像上即可完成荧光寿命的反演使荧光寿命反 演工作大大减少。门控荧光寿命成像系统常用同步控制技术主要有光延时技术和电延时技 术两种，电延时技术装置相比光延时技术灵活性更高并且具有可编码性能，常用的电延时 装置为基于数字延时脉冲发生器和基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA)。数字延时脉冲发生 器控制精度搞，但其所有参数均通过手动按钮操作，因此器件的灵活性和便携性较差，不利 于荧光寿命成像系统实用化，FPGA相比于数字延时脉冲发生器延时精度较低，但其体积小、 逻辑清晰，含有锁相环，十分适合逻辑设计和时序约束，因此是荧光寿命成像同步控制的理 想器件。
[0006] 现场可编程逻辑门阵列FPGA具有延时范围大，逻辑资源丰富，十分适合逻辑设计 和时序约束，因而被广泛用在超分辨率激光同步成像和荧光寿命成像技术等同步控制系统 中。目前基于FPGA的时序控制系统的时钟控制精度在纳秒量级，国内外的专利大多集中在 同步控制TTL信号的脉宽精度和延时精度上，如专利CN103368543A和CN201410837006. 4 在使用FPGA作为同步控制芯片的前提下实现了 ps级脉宽和ns级延时的同步TTL信号的 产生，没有针对可编码成像技术的同步控制方法出现。本发明提出一种使用FPGA和微控制 器实现在线可编码多路TTL信号产生的方法，该技术为可编码超分辨率距离选通成像技术 和荧光寿命成像技术提供同步时序控制技术支持，因此具有重要的意义。
【发明内容】
[0007] 为了解决技术背景中所述问题，本发明提出了一种在线可编码同步控制技术。该 发明通过微控制器和可编程逻辑门阵列FPGA实现多路在线可编码TTL信号输出。多路TTL 信号之间的相对延时和脉宽均可以进行在线编码，从而为可编码超分辨率激光距离选通成 像、荧光寿命成像等需要同步控制的领域提供在线可编码触发时序信号，使得同步控制的 实时性提高、操作简单，同步控制系统的集成度更高。
[0008] 本发明提供一种用于编码成像的在线可编码同步控制系统和控制方法，该方法包 括：上位机通过串口通信向微控制器发送编码时序控制参数，微控制器对得到的时序参数 进行解码、译码；然后微控制器根据解码得到的时序参数控制现场可编程逻辑门阵列FPGA 通过硬件电路多路实现可编码TTL信号输出，最后多路可编码TTL信号分别用来触发相应 的工作器件以完成同步控制。
[0009] 上述方案中，同步控制系统由上位机、微控制器和现场可编程门阵列FPGA组成； [0010] 上述方案中，在线是指可实时配置各路信号的各个时序参数；
[0011] 上述方案中，N为不小于2的自然数，用户可以根据需求自由设置N值。
[0012] 上述方案中，上位机在线向微控制器发送的时序控制参数包括：N路可编码信号 的频率、相对延时、脉宽和编码方式信息。
[0013] 上述方案中，N路在线可编码信号的可编码性能体现在N路信号之间的相对延时 和各个信号的脉宽均可以遵照用户设计的自由编码进行配置。
[0014] 上述方案中，其特征是N路在线可编码信号的精度要求可以通过设计可编程逻辑 门阵列FPGA中内部硬件电路达到。
[0015] 上述方案中，可编程逻辑门阵列FPGA实现的电路模块包括频率管理模块、脉宽控 制模块、延时管理模块和其他逻辑器件组成。频率管理模块完成时钟信号的分频和倍频处 理以达到所需信号的精度的时钟信号，脉宽模块完成对时钟信号的计数实现N路脉宽可控 的TTL信号，延时管理模块实现在N路脉宽可控的TTL信号引入对时钟信号进行计数，最终 达到N路TTL信号的脉宽和延时均可进行配置。
[0016] 上述方案中，N路在线可编码信号在同一片可编程逻辑门器件FPGA芯片输出。
[0017] 上述方案中，N路可编码信号分别用来触发各种同步控制过程中实现同步控制的 器件的可编码同步控制。
[0018] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0019] 1.利用本发明，可以实现在线可编码同步控制，各路TTL触发信号的脉宽及延时 均可调且具有可编码性，所以，本发明可用于距离选通成像、荧光寿命成像等编码成像技术 领域的同步控制，尤其是需在线改变多个延时及脉宽等时域参数的同步控制。
[0020] 2.利用本发明，由于采用同步控制的微控制器和现场可编程逻辑门阵列FPGA均 为可编程器件，所以该发明中的同步控制方法具有较好的可拓展性，N路在线可编码信号的 精度要求可以通过设计如图1中各个模块内部结构即可达到。
[0021] 3.利用本发明，由于时序参数可以通过上位机进行发送，下位机仅通过微控制器 和现场可编程逻辑门阵列FPGA产生在线可编码时序信号，所以本发明可以使距离选通成 像、荧光寿命成像等编码成像技术领域多个领域的同步控制更加方便操作和控制，使同步 控制系统集成度更高。
【附图说明】
[0022] 为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及