一种多模态层析成像控制方法与流程

本发明属于测量技术领域，涉及一种模态可扩展的多模态层析成像系统，可实现不同层析成像模态的自由组合与扩展。本发明以多模态层析成像系统为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中存在的多种检测模态协调工作的测量、控制等系统中，本发明的主控模块及控制方法仍适用。

技术背景

层析成像技术具有无扰动、可视化等特点，可实现复杂流动介质分布参数检测，在石油、化工、冶金、动力、能源等工业领域的多相流过程可视化测试与监控，以及在生物、医疗等领域有广泛的应用价值。层析成像基本原理是，采用空间敏感传感器阵列，对敏感场的分布参数进行检测，获取可描述被测区域的二维或三维分布信息。

常见的层析成像模态包括电学，超声和射线等，每种模态都有其特定的物理敏感参数。对于复杂的被测介质，使用一种模态的测量方法往往不能全面的反应实际情况，常采用多模态融合测量方法。例如对于油气水三相流的层析成像，常采用电学和超声两种模态融合的层析成像方法。电学与超声作为两种基于不同物理原理的过程层析成像技术，两种技术的适用范围及成像特点不尽相同，超声场具有硬场特性，对相界面的辨识比较有优势，而电学场则是软场，对于靠近电极的位置灵敏度较高。因此，超声和电学敏感场分布具有一定的互补性。电学和超声传感器均具有低成本、安全性好、无辐射、非扰动、响应快速等优点，在多相流的在线可视化及参数测量方面具有很大的潜力。

现有的多模态层析成像系统多采用固定的模态组合，这种系统有几个缺点。一是只能适用于特定的被测介质，一旦被测介质发生变化，或被测介质的敏感场分布参数发生变化，原有多模态系统便可能无法适用。二是模态无法实现灵活扩展以及多种模态间的任意组合，如果想获取更多模态信息，只能重新设计多模态层析成像系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种模态可扩展、可组合的多模态层析成像系统，并给出其控制方法，使得不同模态之间可以互不干扰，并按照一定的工作时序进行连续测量。本发明改进了原有多模态系统的不足之处，可实现不同模态间的相互通信，且不同模态工作时序，工作速率可以统一协调。本发明的技术方案如下：

一种多模态层析成像控制方法，所适用的层析成像系统，包括主控模块以及各个单模态层析成像模块，其中，

主控模块，承担各个单模态层析成像模块间的数据通信功能，协调各个单模态层析成像模块的数据采集速度和时序，包括多模态主控芯片及其配套电路、多模态控制线和多模态通信接口；所述多模态控制线包含成对出现的指令线和状态线，指令线用于多模态主控芯片向各个单模态层析成像模块发送开始工作指令信号；状态线用于各个单模态层析成像模块向多模态主控芯片发送各个单模态层析成像模块的当前工作状态，每对指令线和状态线仅与一个单模态层析成像模块相连；

各个单模态层析成像模块，通过多模态通信接口与多模态控制线相连，各个单模态层析成像模块具有统一的模态通信接口，这个接口中包含一对状态线和指令线，以及一组数据线，其中状态线和指令线分别与多模态控制线的一对状态线和指令线相连；数据线用于各个单模态层析成像模块向上位机传送测量数据，与上位机直接相连，具有若干位数据位，其传输数据格式与含义，由各个单模态层析成像模块定义，数据采集速率由各个单模态层析成像模块的时钟速率决定；

使用所述多模态控制线连接多模态主控芯片和各个单模态层析成像模块的控制芯片，并使用多模态主控芯片，通过多模态控制线传输状态与指令信号，实现对各个单模态层析成像模块的工作时序，工作速率控制，并协调各模态间的数据通信；

多模态主控芯片采用fpga芯片，读取状态线上的电平值，根据已编制好的内部程序，通过指令线向各个模态发送开始工作指令，协调各个单模态层析成像模块工作时序，通过有限状态机实现，按预先设定的状态转换图依次进行：有限状态机实时读取各个单模态层析成像模块的状态线，并将其电平值存储到有限状态机的外部输入寄存器中，作为有限状态机的当前外部输入；.程序启动时，初始化当前状态，并将当前状态标志存储到有限状态机的状态寄存器中；当fpga时钟刷新时，有限状态机将读取其外部输入寄存器和状态寄存器中存储的电平数值，按照芯片内部已编制好的程序，即时序转换图的要求，决定下一时刻，各个模态指令线应该输出的电平值大小。

多模态层析成像控制方法包括下列步骤：

步骤一，主控模块上电时，启动有限状态机，并根据有限状态机的要求，通过模态指令线，向需要开始工作的特定单模态层析成像模块发出脉冲触发信号；

步骤二，特定单模态层析成像模块接收到指令信号后，即开始工作一个完整的测量周期，一个完整测量周期的定义是：特定单模态层析成像模块，对本模态包含的所有传感器阵列截面进行一次完整的激励和测量，并获取重建该模态所有截面图像所需数据；在工作期间，层析成像模块通过所述状态线，向所述多模态主控芯片持续发送正在工作的状态信号，直到一个完整测量周期结束之后，改为持续发送工作已停止信号；

步骤三，循环执行步骤二，根据有限状态机的时序转换图，实现多模态层析成像系统的连续工作。

1.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述多模态控制线的指令线所发送开始工作指令，为一个单脉冲，上升沿有效，所述多模态控制线的状态线，所发送的当前工作状态，高电平表示当前正在工作，低电平表示当前已停止工作。

本发明的有益效果及优点如下：

1、多种单模态层析成像模块采用统一的通信接口和控制线，便于主控模块对于各个模态的协调；

2、多种单模态层析成像模块可以自由扩展，即模态可以自由增加、减少或组合；

3、主控芯片使用fpga，系统灵活性高，更改模态方案时，可通过下载主控芯片的新程序以适应新的多模态组合工作方案；

4、对单模态层析成像系统的改造成本低，只需要在原有系统上增加多模态控制线和相应接口即可。

附图说明

以下图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：

图1是本发明的一个实施例的系统整体结构图；其中，0-多模态控制线，1-多模态主控模块，2-数据线

图2是本发明装置多模态控制线的连接方式结构图，其中1-多模态主控模块；3-指令线；4-状态线；5-线路连接节点；6-多模态通信接口；

图3本发明控制方案时序图；

具体实施方式

以下详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。本发明中的多种不同模态包括电学超声等，既可同时使用几种电学或超声测量方式。

下面结合说明书图详细说明本发明的实施例。

图1描述了本发明装置的系统整体结构图，包含1-多模态主控模块和各个独立模态模块。其中1-多模态主控模块，又可以分为多模态主控芯片，0-多模态控制线以及多模态通信接口，在本实施例中，模态1，模态2和模态3分别以ert，ect和upt为例。多模态主控芯片位于单独的一块主控电路板上，电路板上装有多模态通信接口，接口一端通过多模态控制线连接到多模态主控芯片上，另一端可以与外部电路板进行连接。在本实施例中，多模态通信接口以cpci标准的j3接口为例，主控电路板可以通过cpci机箱背板的双向插针，实现与位于前面板的各个模态层析成像系统的连接。2-数据线，用于各模态传输测量数据给上位机

图2是本发明装置多模态控制线的连接方式结构图。

多模态主控模块作为独立的模块，连接着各个模态的主控芯片。在功能上，主控模块与每一个测量模块都分别通过独立的状态线和指令线相连，每条状态线或指令线各自占用1位数据通道，每增加一个模态，就多增加2条数据通道。如总模态数为n，由于每一个模态占用两条数据通道，则fpga芯片需要预留给多模态通信的数据通道的引脚不少于2n，且多模态通信接口所包含的数据通道数不少于2n。在系统结构上，每个模态的两条控制线路经由多模态主控芯片fpga引脚引出至多模态通信接口，再引入各个独立的层析成像系统。

状态线和指令线总是成对出现，主控模块上每对状态线和指令线对应的接口都与特定的单模态成像模块的通信接口相连，每个模态状态线和指令线都是各自独占的，同一条状态线或指令线两端只连接多模态主控芯片和单模态层析成像模块的控制芯片，中间不连接其他节点，例如图2中模态1的3-指令线和4-状态线与其他模态的3-指令线和4-状态线是不共用的。主控芯片上预留的多模态控制线通道和主控芯片fpga的连接是固定的，不能修改。

多模态控制线总是包含多组成对的状态线和指令线，每个模态都对应一对状态线和指令线。对于可扩展模态的层析成像系统，其模态的扩展性体现在多模态控制线的可扩展性上。扩展一个新模态的步骤可以分为：步骤一，主控模块fpga程序启用一对预留的状态线和指令线的接口；步骤二，将单模态层析成像模块添加进已有的扩展模态的层析成像系统中，即对应连接相应的状态线和指令线；步骤三，修改单模态层析成像模块的fpga程序，使其可以接受主控模块fpga芯片的控制，修改主控模块fpga程序，使其状态转换图中包含新增模态的相关工作状态。

图3本发明装置控制方案时序图。指令线的功能是由主控模块向各个测量模块发出开始工作指令，默认值为低电平0，上升沿有效，状态线的功能是由测量模块向主控模块反馈当前工作状态，当前不工作为低电平0，当前正在工作为高电平1。

本实施例以三个模态为例，模态1，模态2和模态3分别以ert，ect和upt为例，根据三个模态的工作原理，其工作逻辑是，模态1与模态2交替工作，模态3连续工作。其基本步骤是：步骤一，所述主控模块上电时，首先通过所述指令线，向连接于模态1与模态3的通信接口发出一脉冲触发信号；步骤二，模态3接收到指令信号后，开始持续工作；步骤三，模态1接收到指令信号后，即开始工作一个完整的测量周期，在工作期间，通过所述状态线，向所述多模态主控芯片持续发送高电平的状态信号，直到一个完整测量周期结束恢复低电平；步骤四，主控模块收到模态1状态线发出的低电平信号后，判断模态1已经工作完一个周期，此时主控模块向模态2指令线，发出一脉冲触发信号；步骤五，模态2接收到指令信号后，即开始工作一个完整的测量周期，在工作期间，通过所述模态2的状态线，向所述多模态主控芯片持续发送高电平的状态信号，直到一个完整测量周期结束恢复低电平；步骤六，主控模块收到模态2状态线发出的低电平信号后，判断模态2已经工作完一个周期，此时主控模块向模态1指令线发出一脉冲触发信号；步骤七，重复步骤三至六，完成模态1与模态2的交替工作。