杨 地（电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 610054）
摘 要：依据FPGA中心与千兆以太网传输技能组成线阵x射线图画收集传输体系。FPGA芯片为中心操控，完结对X射线勘探器操控、勘探器信号积分时序、ADC收集时序操控、收集板间数据传输、千兆以太网数据传输操控。X射线勘探器与收集板，选用菊花链数据传输结构方法以应对不同规划的场景。千兆以太网的传输保证了图画数据的实时、高速与精准度。
关键词：图画收集；x射线检测；FPGA；千兆以太网
0 导言
跟着公共安全越来越遭到大众的注重，X射线安检机已经成为地铁、汽车站、铁路和海关等人口密布交通场所收支等的必备安检设备。依据FPGA的X射线辐射图画收集与传输体系，运用X射线的穿透性扫描成像快速扫描行李箱、集装箱内物品，对枪支、易爆物和毒品等违禁物品进行快速鉴别，保证公共安全与社会安定 [1] 。X射线安检机由线阵X射线图画收集传输体系与上位机组成，本文首要研讨线阵X射线图画收集与传输体系，其间包含勘探板、收集板与数据板。收集体系选用依据闪耀晶体与硅光电二极管技能组合在一起的阵列式硅光电二极管勘探传感器，Altera公司（注：已被Intel公司收买，更名为Intel公司）的Cyclone IV系列可编程门阵列为中心操控器，千兆以太网RGMII千兆媒体独立接口为与上位机通讯前言 [2] 。
1 X射线勘探体系电路规划
本文规划的X射线收集传输体系的硬件框图如图1所示。图画收集与传输体系的硬件包含三个部分，X射线勘探器模块、FPGA数据收集模块和千兆以太网RGMII数据传输模块。
当 X 射线成像闪耀晶体（CsI）受X射线辐照后，将X射线转换为可见光，闪耀关心合在阵列硅光电二极管外表，阵列硅光电二极管接纳到可见光后转换为电流信号，再由前置集成扩大器扩大，积分转化为电压信号。扩大器的活络度是由积分电路的反应电容器界说。每路运放活络度设置能够从操控端口进行独自操控，扩大后信号经过 A/D 转化成数字信号输送到收集板 FPGA 片内，FPGA 经过LVDS传输格局将数据传输给数据板。
收集板发送到数据板是经过端口直接进入数据板 FPGA进行信号处理。信号处理单元对每个像素数据的从头排序、数据校对、暗偏移和像素点的活络度差异等进行处理。最终数据板经过选定的数据接口（千兆以太网通讯端口） 将图画数据发送到体系PC上，与PC以千兆以太网接口衔接。
1.1 线阵X 射线勘探器模块
线阵X射线勘探器模块由闪耀晶体（CsI）与硅光电二极管组成。闪耀晶体层受X射线辐照后，将X射线转换为可见光，闪耀关心合在阵列硅光电二极管外表，阵列硅光电二极管接纳到可见光后转换为电流信号。光电二极管阵列是 64 通道阵列；素间隔为1.575 mm(双能勘探器通道板是两个64路，共为 128 路)，HE(高能量)和LE(低能量)。
本文选用的闪耀体X射线勘探器滨松S11212，由64阵列二极管组成，像素间隔为1.6 mm，阵列二极管选用背照式规划，具有更高的活络度一致性和更小的象元改变。该勘探器的作业温度在-20℃~60℃，呼应光线波长λ规划为340 nm~1100 nm，暗电流平均值为5pA，最大值不超越30 pA。
1.2 FPG A 数据收集模块
线阵X射线勘探器在检测到X射线入射时，勘探器输出必定数量的电荷Q，电荷Q的巨细与入射X射线的强度成正比。若运用电压型扩大器扩大信号，则输入电压 V入 =Q/(C1+C2)，其间C 1 为勘探器输出信号到地间的电容；C 2 为扩大器输入电容与分布电容的总和。半导体极间的分布电容C 2 受环境温度、外加偏压等要素改变，即在不采纳有用办法的情况下，即便勘探器输出的电荷Q是固定的，输入电压 V 入 也会随C 2 改变而改变，然后 V 入 与Q成非线性联系。因而，一般电压扩大器在输出时，输出电压V 出 不稳定，不能得到V 出 与Q的线性联系。而电荷活络扩大器，相当于一个开环增益很大的电容负反应扩大器， V 出 不受C 2 改变的影响且与勘探器Q值成正比，电荷活络扩大器如下图2所示。
扩大器输入端电压V 入：
上式中，Q为勘探器X射线照耀后输出的电荷，K为扩大倍数，C 1 为勘探器对地的电容，C 2 为扩大器输入电容及分布电容，C F 为反应电容。
在满意上述条件时，V 出 与Q成正比，份额系数与反应电容相关。在电荷活络扩大器中，反应电容不会改变为定值，所以扩大器的输出电压反映了勘探器的输出电荷巨细。为了使勘探器扩大后的信号之间坚持一致性与均匀性，运用DT64通道集成电荷活络扩大器来对多通道的电荷信号进行扩大。
对安检设备中线阵X射线勘探电路ADC的要求，ADC需具有较高的分辨率，分辨率决议这图画数据的深度，为了保证图画数据的精度，一般运用16位以上分辨率的ADC；ADC应具有满意的选用率，满意在扩大器信号输出时刻内完结采样，本规划中电荷活络扩大器对扩大64路信号的输出时刻分别为1 µs，因而关于ADC（模数转换器）的采样率应大于1 Mbit/s；归纳尺度、功耗、作业环境温度等多方面的要素考虑，选用TI公司规划的ADS8861模数转换器，其特点是16位，采样率为1 Mbit/s，全差分输入，串行输出的SAR模数转换器。
1.3 千兆以太网R G M II数据传输模块
X射线安检体系一般需求多块勘探板进行级联，一块勘探板具有128个勘探点，针对大型的运用环境可能为上千个勘探点，因而在实践作业工程中，对图画数据快速、精确的传输有很高的要求。抱负情况下数据速率计算公式如下：
数据速率=[lines / s] × [板的数量] × [128像素/板]× [16比特/像素]= [x Mbps] (2)上式中[Lines/s]为积分器每秒扩大的像素行，由于积分器作业周期为1 kHz，因而得到1 000 Lines/s。板的数量在一般车站、地铁、机场对行李箱安检的运用环境下最小为12块，针对海关的集装箱安检的运用环境所需板的数量最大为80块。因而在抱负条件下得到最小的传输速率为24.576 MMbit/s，最大的传输速率为163.84MMbit/s。此速率仅为图画数据的传输，在实践数据传输中，为了保证数据的精确性还需考虑数据包的封装格局与相关的指令，因而大于理论的传输速率。别的关于X射线的安检设备，在体系与PC上位机的数据传输之间会有必定的间隔，在大型的运用环境中需求选用较长的传输间隔，为了保证数据传输的稳定性与精准度，本文选用千兆以太网进行对数据的传输，选用RTL8211D千兆网卡芯片。
本文千兆以太网数据传输依据TCP/IP协议的网络通讯架构规划，整个传输的结构包含用户层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。千兆以太网数据传输的总体规划架构如图3所示。
用户逻辑部分规划部分包含用户层、传输层、网络层，首要担任依据用户自界说数据格局以及UDP、IP协议将数据进行特定格局打包与解析操作。以太网MAC操控器构成数据链路层，操控发送帧与接纳帧的操作，而且担任对上层输的数据进行MAC帧打包，对从接口发送来的数据进行解析。PHY芯片组成物理层，经过FPGA的操控信号，完结对数据包的封装，而且时序操控PHY芯片将数据转化为波的方法传输给PC上位机 [5] 。
2 X射线勘探体系的操控逻辑
2.1 图画收集时序操控
图画收集时序首要是FPGA对勘探器的积分器与ADC采样时序操控如图4。每收集板都装置线阵X射线图画传感器，每块板在接纳到X射线光照耀时会均匀发生与光强相对应的电流信号。经过时序操控增益可控的多路积分器对电流信号进行扩大，并让ADC在规则的周期内对扩大的信号进行收集，此处运用一个16位ADC分别对高低能积分值进行采样。
2.2 千兆以太网数据传输
如图5所示，由PHY芯片发送的四位数据经过DDIO模块转化为8位数据供后续模块处理。接纳模块对数据解析并存储，然后将数据的有用字段提取出包含CMD、OPE、DM ID、SIZE，经过判别有用字段能够知道要履行何种功用。数据板会发送给收集板相应的信号让收集板完结对应功用。之后再将得到的数据传输经过CRC校验并发送。
3 定论
本文提出一种以FPGA为操控中心，结合图画收集模块与千兆以太网传输模块的线阵X图画传感器收集传输体系。依据不同的运用场景，可选择不同块数的X射线勘探器与收集板，选用菊花链数据传输结构方法以应对不同规划的场景。 千兆以太网的传输保证了图画数据的实时、高速与精准度，具有杰出的运用价值与商场。
参考文献
[1] 郑金州,鲁绍栋.X射线技能在安检范畴的运用[J].CT理论与运用研讨,2012,21(02):357-364.
[2] 杨雷,高富足,李岭,等.高速低能X射线工业CT数据收集与传输[J].计算机运用,2014,34(11):3361-3364.
[3] 赵妮.依据X射线勘探技能的电路规划[J].核电子学与勘探技能,2011,31(07):779-782,81.
[4] 丁祥,胡晓君,张鲁殷,等.依据一种X射线平板勘探器收集电路的规划[J].电子元器件与信息技能,2017(01):71-80.
[5] 张威.依据FPGA的高速以太网接口规划和完结[D].成都：电子科技大学,2016.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第44页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
