基于FPGA和千兆以太網(wǎng)的線陣X射線圖像采集傳輸系統(tǒng)

　　楊?地（電子科技大學(xué)?電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川?成都?610054）

　　摘?要：基于FPGA核心與千兆以太網(wǎng)傳輸技術(shù)組建線陣x射線圖像采集傳輸系統(tǒng)。FPGA芯片為核心控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線探測(cè)器控制、探測(cè)器信號(hào)積分時(shí)序、ADC采集時(shí)序控制、采集板間數(shù)據(jù)傳輸、千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸控制。X射線探測(cè)器與采集板，采用菊花鏈數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)方式以應(yīng)對(duì)不同規(guī)模的場(chǎng)景。千兆以太網(wǎng)的傳輸確保了圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高速與精準(zhǔn)度。

　　關(guān)鍵詞：圖像采集；x射線檢測(cè)；FPGA；千兆以太網(wǎng)

　　0 引言

　　隨著公共安全越來(lái)越受到公眾的重視，X射線安檢機(jī)已經(jīng)成為地鐵、汽車站、鐵路和海關(guān)等人口密集交通場(chǎng)所出入等的必備安檢設(shè)備。基于FPGA的X射線輻射圖像采集與傳輸系統(tǒng)，利用X射線的穿透性掃描成像快速掃描行李箱、集裝箱內(nèi)物品，對(duì)槍支、易爆物和毒品等違禁物品進(jìn)行快速甄別，保障公共安全與社會(huì)安寧 ^[1] 。X射線安檢機(jī)由線陣X射線圖像采集傳輸系統(tǒng)與上位機(jī)組成，本文主要研究線陣X射線圖像采集與傳輸系統(tǒng)，其中包括探測(cè)板、采集板與數(shù)據(jù)板。采集系統(tǒng)采用基于閃爍晶體與硅光電二極管技術(shù)組合在一起的陣列式硅光電二極管探測(cè)傳感器，Altera公司（注：已被Intel公司收購(gòu)，更名為Intel公司）的Cyclone IV系列可編程門陣列為核心控制器，千兆以太網(wǎng)RGMII千兆媒體獨(dú)立接口為與上位機(jī)通信媒介 ^[2] 。

　　1 X射線探測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的X射線采集傳輸系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。圖像采集與傳輸系統(tǒng)的硬件包含三個(gè)部分，X射線探測(cè)器模塊、FPGA數(shù)據(jù)采集模塊和千兆以太網(wǎng)RGMII數(shù)據(jù)傳輸模塊。

　　當(dāng) X 射線成像閃爍晶體（CsI）受X射線輻照后，將X射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，閃爍體貼合在陣列硅光電二極管表面，陣列硅光電二極管接收到可見(jiàn)光后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再由前置集成放大器放大，積分轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。放大器的靈敏度是由積分電路的反饋電容器定義。每路運(yùn)放靈敏度設(shè)置可以從控制端口進(jìn)行單獨(dú)控制，放大后信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸送到采集板 FPGA 片內(nèi)，F(xiàn)PGA 通過(guò)LVDS傳輸格式將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)板。

　　采集板發(fā)送到數(shù)據(jù)板是通過(guò)端口直接進(jìn)入數(shù)據(jù)板 FPGA進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)處理單元對(duì)每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的重新排序、數(shù)據(jù)校正、暗偏移和像素點(diǎn)的靈敏度差異等進(jìn)行處理。最后數(shù)據(jù)板通過(guò)選定的數(shù)據(jù)接口（千兆以太網(wǎng)通訊端口） 將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)PC上，與PC以千兆以太網(wǎng)接口連接。

　　1.1 線陣X 射線探測(cè)器模塊

　　線陣X射線探測(cè)器模塊由閃爍晶體（CsI）與硅光電二極管組成。閃爍晶體層受X射線輻照后，將X射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，閃爍體貼合在陣列硅光電二極管表面，陣列硅光電二極管接收到可見(jiàn)光后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。光電二極管陣列是 64 通道陣列；素間距為1.575 mm(雙能探測(cè)器通道板是兩個(gè)64路，共為 128 路)，HE(高能量)和LE(低能量)。

　　本文采用的閃爍體X射線探測(cè)器濱松S11212，由64陣列二極管組成，像素間距為1.6 mm，陣列二極管采用背照式設(shè)計(jì)，具有更高的靈敏度一致性和更小的象元變化。該探測(cè)器的工作溫度在-20℃~60℃，響應(yīng)光線波長(zhǎng)λ范圍為340 nm~1100 nm，暗電流平均值為5pA，最大值不超過(guò)30 pA。

　　1.2 FPG A 數(shù)據(jù)采集模塊

　　線陣X射線探測(cè)器在檢測(cè)到X射線入射時(shí)，探測(cè)器輸出一定數(shù)量的電荷Q，電荷Q的大小與入射X射線的強(qiáng)度成正比。若使用電壓型放大器放大信號(hào)，則輸入電壓 V_入 =Q/(C₁+C₂)，其中C ₁ 為探測(cè)器輸出信號(hào)到地間的電容；C ₂ 為放大器輸入電容與分布電容的總和。半導(dǎo)體極間的分布電容C ₂ 受環(huán)境溫度、外加偏壓等因素變化，即在不采取有效措施的情況下，即使探測(cè)器輸出的電荷Q是固定的，輸入電壓 V _入 也會(huì)隨C ₂ 變化而變化，從而 V _入 與Q成非線性關(guān)系。因此，普通電壓放大器在輸出時(shí)，輸出電壓V 出 不穩(wěn)定，不能得到V _出 與Q的線性關(guān)系。而電荷靈敏放大器，相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)環(huán)增益很大的電容負(fù)反饋放大器， V _出 不受C ₂ 變化的影響且與探測(cè)器Q值成正比，電荷靈敏放大器如下圖2所示。

　　放大器輸入端電壓V _入：

　　上式中，Q為探測(cè)器X射線照射后輸出的電荷，K為放大倍數(shù)，C ₁ 為探測(cè)器對(duì)地的電容，C ₂ 為放大器輸入電容及分布電容，C _F 為反饋電容。

　　在滿足上述條件時(shí)，V _出 與Q成正比，比例系數(shù)與反饋電容相關(guān)。在電荷靈敏放大器中，反饋電容不會(huì)改變?yōu)槎ㄖ?，于是放大器的輸出電壓反映了探測(cè)器的輸出電荷大小。為了使探測(cè)器放大后的信號(hào)之間保持一致性與均勻性，使用DT64通道集成電荷靈敏放大器來(lái)對(duì)多通道的電荷信號(hào)進(jìn)行放大。

　　對(duì)安檢設(shè)備中線陣X射線探測(cè)電路ADC的要求，ADC需具有較高的分辨率，分辨率決定這圖像數(shù)據(jù)的深度，為了保證圖像數(shù)據(jù)的精度，通常使用16位以上分辨率的ADC；ADC應(yīng)具有足夠的采用率，滿足在放大器信號(hào)輸出時(shí)間內(nèi)完成采樣，本設(shè)計(jì)中電荷靈敏放大器對(duì)放大64路信號(hào)的輸出時(shí)間分別為1 μs，因此對(duì)于ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的采樣率應(yīng)大于1 Mbit/s；綜合尺寸、功耗、工作環(huán)境溫度等多方面的因素考慮，選用TI公司設(shè)計(jì)的ADS8861模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)是16位，采樣率為1 Mbit/s，全差分輸入，串行輸出的SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　1.3 千兆以太網(wǎng)R G M II數(shù)據(jù)傳輸模塊

　　X射線安檢系統(tǒng)一般需要多塊探測(cè)板進(jìn)行級(jí)聯(lián)，一塊探測(cè)板具有128個(gè)探測(cè)點(diǎn)，針對(duì)大型的應(yīng)用環(huán)境可能為上千個(gè)探測(cè)點(diǎn)，因此在實(shí)際工作工程中，對(duì)圖像數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的傳輸有很高的要求。理想情況下數(shù)據(jù)速率計(jì)算公式如下：

　　數(shù)據(jù)速率=[lines / s] × [板的數(shù)量] × [128像素/板]× [16比特/像素]= [x Mbps]             (2)上式中[Lines/s]為積分器每秒放大的像素行，因?yàn)榉e分器工作周期為1 kHz，因此得到1 000 Lines/s。板的數(shù)量在普通車站、地鐵、機(jī)場(chǎng)對(duì)行李箱安檢的應(yīng)用環(huán)境下最小為12塊，針對(duì)海關(guān)的集裝箱安檢的應(yīng)用環(huán)境所需板的數(shù)量最大為80塊。因此在理想條件下得到最小的傳輸速率為24.576 MMbit/s，最大的傳輸速率為163.84MMbit/s。此速率僅為圖像數(shù)據(jù)的傳輸，在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還需考慮數(shù)據(jù)包的封裝格式與相關(guān)的指令，因此大于理論的傳輸速率。另外對(duì)于X射線的安檢設(shè)備，在系統(tǒng)與PC上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸之間會(huì)有一定的距離，在大型的應(yīng)用環(huán)境中需要采用較長(zhǎng)的傳輸距離，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與精準(zhǔn)度，本文采用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸，采用RTL8211D千兆網(wǎng)卡芯片。

　　本文千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)包含用戶層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目傮w設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

　　用戶邏輯部分設(shè)計(jì)部分包含用戶層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層，主要負(fù)責(zé)根據(jù)用戶自定義數(shù)據(jù)格式以及UDP、IP協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式打包與解析操作。以太網(wǎng)MAC控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路層，控制發(fā)送幀與接收幀的操作，并且負(fù)責(zé)對(duì)上層輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行MAC幀打包，對(duì)從接口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。PHY芯片組成物理層，通過(guò)FPGA的控制信號(hào)，完成對(duì)數(shù)據(jù)包的封裝，并且時(shí)序控制PHY芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為波的形式傳輸給PC上位機(jī) ^[5] 。

　　2 X射線探測(cè)系統(tǒng)的控制邏輯

　　2.1 圖像采集時(shí)序控制

　　圖像采集時(shí)序主要是FPGA對(duì)探測(cè)器的積分器與ADC采樣時(shí)序控制如圖4。每采集板都安裝線陣X射線圖像傳感器，每塊板在接收到X射線光照射時(shí)會(huì)均勻產(chǎn)生與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)。通過(guò)時(shí)序控制增益可控的多路積分器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，并讓ADC在規(guī)定的周期內(nèi)對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行采集，此處使用一個(gè)16位ADC分別對(duì)高低能積分值進(jìn)行采樣。

　　2.2 千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

　　如圖5所示，由PHY芯片發(fā)送的四位數(shù)據(jù)通過(guò)DDIO模塊轉(zhuǎn)化為8位數(shù)據(jù)供后續(xù)模塊處理。接收模塊對(duì)數(shù)據(jù)解析并存儲(chǔ)，然后將數(shù)據(jù)的有效字段提取出包括CMD、OPE、DM ID、SIZE，通過(guò)判斷有效字段可以知道要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)板會(huì)發(fā)送給采集板相應(yīng)的信號(hào)讓采集板完成對(duì)應(yīng)功能。之后再將得到的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)CRC校驗(yàn)并發(fā)送。

　　3 結(jié)論

　　本文提出一種以FPGA為控制核心，結(jié)合圖像采集模塊與千兆以太網(wǎng)傳輸模塊的線陣X圖像傳感器采集傳輸系統(tǒng)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可選擇不同塊數(shù)的X射線探測(cè)器與采集板，采用菊花鏈數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)方式以應(yīng)對(duì)不同規(guī)模的場(chǎng)景。 千兆以太網(wǎng)的傳輸確保了圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高速與精準(zhǔn)度，具有良好的應(yīng)用價(jià)值與市場(chǎng)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 楊雷,高富強(qiáng),李嶺,等.高速低能X射線工業(yè)CT數(shù)據(jù)采集與傳輸[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2014,34(11):3361-3364.

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　　[5] 張威.基于FPGA的高速以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2016.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第44頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。