采用FPGA和以太網(wǎng)技術的X射線安檢設備控制器設計

　　FPGA控制器中TCP/IP協(xié)議的裁剪方案

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的迅猛發(fā)展，TCP/IP協(xié)議已成為嵌入式互聯(lián)網(wǎng)的主體構架。TCP/IP協(xié)議通常被認為是一個四層體系結構，包括鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。在本設計中，根據(jù)控制器的具體要求，對TCP協(xié)議進行了適當?shù)牟眉簦瑑H實現(xiàn)了四個協(xié)議：ARP(地址解析)、IP(網(wǎng)絡協(xié)議)、ICMP(控制報文協(xié)議)、TCP。

TCP是一種面向連接的協(xié)議，它能提供高可靠性服務。通過使用序列號和確認信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息，從而實現(xiàn)端對端的通信，為了保障圖像數(shù)據(jù)的可靠性，本控制器采用該協(xié)議。

　　FPGA控制器片內(nèi)邏輯設計

　　本文采用VHDL分模塊設計了基于FPGA的安檢設備控制器。FPGA片內(nèi)邏輯設計框圖如圖3所示。

　　圖3 FPGA片內(nèi)邏輯設計框圖

　　數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)解析模塊

　　圖3中，數(shù)據(jù)接收模塊實現(xiàn)CS8900A與FPGA內(nèi)數(shù)據(jù)解析模塊的鏈接。當控制模塊產(chǎn)生確認接收數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)接收模塊將CS8900A接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出，然后將其寫入數(shù)據(jù)解析模塊。數(shù)據(jù)解析模塊實際上是將上述TCP/IP裁剪協(xié)議硬件化，主要用于解析來自數(shù)據(jù)接收模塊的數(shù)據(jù)，將解析的數(shù)據(jù)與預存于FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)表對照。若解析的結果是指令和外設參數(shù)，將其分別寫入控制模塊和外設參數(shù)配置模塊，否則將其丟棄。

　　控制模塊

　　控制模塊是FPGA控制器的核心模塊，主要用于接收檢測信號后觸發(fā)X射線源、探測卡;接收ADC的EOC端信號后對圖像數(shù)據(jù)接收模塊產(chǎn)生采集數(shù)據(jù)信號;接收CS8900A中斷信號后對數(shù)據(jù)接收模塊產(chǎn)生接收網(wǎng)卡緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)信號;據(jù)解析模塊所處理的指令，相應地有如下響應：產(chǎn)生外設參數(shù)配置信號、產(chǎn)生控制傳送帶運行狀態(tài)信號、產(chǎn)生報警信號。

　　外設初始化和參數(shù)配置模塊

　　外設初始化模塊在系統(tǒng)上電時，對控制器外設發(fā)送初始化信號，然后檢測控制模塊對其是否發(fā)送指令，若有指令，則重新初始化外設。外設參數(shù)配置模塊用于對外設進行參數(shù)設置，當控制模塊對其產(chǎn)生參數(shù)配置信號時，該模塊將參數(shù)寫入初始化模塊，

　　圖像數(shù)據(jù)接收、處理及發(fā)送模塊

　　圖像數(shù)據(jù)接收模塊實現(xiàn)ADC與控制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊鏈接。當控制模塊產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)采集信號時，接收模塊給X射線線性陣列探測卡發(fā)送啟動采集信號，然后將ADC圖像數(shù)據(jù)寫入處理模塊。處理模塊針對內(nèi)置幾何校正、灰度變換、偽彩色等多種清晰度增強算法，利用數(shù)字圖像處理技術，將圖像對比度和清晰度進行增強。發(fā)送模塊對處理模塊處理好的圖像數(shù)據(jù)進行IP封裝，然后將其寫入CS8900A發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，啟動網(wǎng)卡，將此數(shù)據(jù)發(fā)送到所連接的網(wǎng)絡上。

　　實驗與驗證

　　由于VHDL是并發(fā)程序，所以要把順序執(zhí)行的思想轉(zhuǎn)化為并發(fā)設計思想。本設計采用Xilinx公司的ISE8.1在Virtex- xc2v6000芯片上實現(xiàn)了控制功能，在Modelsim SE6.1b中進行了仿真。由仿真結果得出，控制信號時序正確，符合控制要求。

　　結語

　　本文在分析X射線安檢設備部分組成器件工作原理及控制要求的基礎上，設計了FPGA內(nèi)部邏輯，給出了控制器的工作流程，驗證了控制信號時序的正確性。預計此種控制器可以帶來可觀的經(jīng)濟效益和市場前景。