基于FPGA和以太網(wǎng)技術(shù)的X射線(xiàn)安檢設備控制器設計

本文設計了基于FPGA的X射線(xiàn)安檢設備控制器，該控制器通過(guò)加載Thin TCP/IP接入以太網(wǎng)，使得多臺PC共同對可疑物品的圖像數據進(jìn)行分析，進(jìn)而提高鑒別精度。

　　工作原理及控制要求

　　X射線(xiàn)安檢設備主要由X射線(xiàn)源、傳送裝置、控制器、X射線(xiàn)線(xiàn)性陣列探測卡、以太網(wǎng)控制器(CS8900A)、屏蔽輻射所需的機械裝置、裝有該設備配套軟件的PC等組成，X射線(xiàn)安檢設備原理如圖1所示。

　　圖1中，當控制器產(chǎn)生X射線(xiàn)觸發(fā)信號時(shí)，X射線(xiàn)源發(fā)出圓錐形X射線(xiàn)束，該射線(xiàn)束經(jīng)準直器后變?yōu)樯刃纹矫嫔渚€(xiàn)束。射線(xiàn)束穿過(guò)傳送帶上待檢測物，X射線(xiàn)部分能量被吸收，最后轟擊X射線(xiàn)線(xiàn)性陣列探測卡上的晶體管。被檢測物體以某一速度相對于探測卡和X射線(xiàn)源移動(dòng)時(shí)，探測卡逐行采集經(jīng)過(guò)物體的射線(xiàn)，晶體-光電二極管將X射線(xiàn)轉換成一個(gè)正比于所吸收的X射線(xiàn)流量和能量的電流信號，經(jīng)放大和積分后，得到一個(gè)正比于積分電流乘積分時(shí)間的電壓，再經(jīng)A/D轉換后送往圖像數據處理單元。

　　圖1 X射線(xiàn)安檢設備原理示意圖

　　CS8900A工作原理

　　CS8900A是一個(gè)集成了ISA總線(xiàn)接口的10Base-T以太網(wǎng)控制器。發(fā)送數據時(shí)，可以采用中斷模式和查詢(xún)方式。如果采用中斷模式發(fā)送數據幀，在收到主機發(fā)來(lái)的命令后檢測內部空間，若空間足夠大，芯片通知主機傳送數據，主機接到通知后發(fā)送數據包。發(fā)送過(guò)程中由CS8900A自動(dòng)為要發(fā)送的數據幀添加前導符、定界符、CRC校驗碼等。若相應的寄存器已被設置，還會(huì )引發(fā)發(fā)送成功中斷。如果采用查詢(xún)方式發(fā)送數據，則主機對相應的寄存器進(jìn)行查詢(xún)，若可以發(fā)送，CS8900A將數據幀加幀頭，生成校驗碼，最后發(fā)送至以太網(wǎng)中。

接收時(shí)，CS8900A將自動(dòng)地從網(wǎng)絡(luò )中讀取數據包，在經(jīng)過(guò)解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后，將數據幀在片內進(jìn)行緩存。在CRC校驗通過(guò)后，CS8900A會(huì )根據初始化配置情況，通知主機收到了數據幀。最后選擇I/O模式、Memory模式、DMA模式中的一種，將數據傳送到主機的存儲區中。本設計選用I/O模式對數據進(jìn)行讀取。

　　FPGA控制器工作原理

　　系統上電后，FPGA控制器初始化X射線(xiàn)源、CS8900A、X射線(xiàn)線(xiàn)性陣列探測卡等。由于FPGA內部邏輯是并發(fā)機制，所以以下進(jìn)程是并發(fā)的：接收到檢測信號后觸發(fā)X射線(xiàn)源、X射線(xiàn)線(xiàn)性陣列探測卡，當接收到ADC的EOC端信號后進(jìn)行圖像數據的接收、處理、發(fā)送;接收到CS8900A中斷信號后進(jìn)行數據解析，根據解析的數據進(jìn)行參數設置、控制傳送帶的運行狀態(tài)、報警等相應操作。工作流程如圖2所示。

　　圖2 X射線(xiàn)安檢設備控制器工作流程圖

　　控制要求

　　系統需要完成初始化、圖像數據采集、控制傳送帶運行狀態(tài)、報警等。FPGA控制器通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)卡接收PC發(fā)來(lái)的參數數據對整個(gè)系統控制調節。

　　控制器設計

　　根據控制要求，控制器主要實(shí)現解析IP分組、數據處理、產(chǎn)生控制信號、生成IP分組等任務(wù)。解析IP分組實(shí)際上是對TCP/IP協(xié)議的解析;生成IP分組就是進(jìn)行數據的封裝。本文是基于FPGA芯片設計的控制器，所以，解析IP分組、數據處理、產(chǎn)生控制信號、生成IP分組都是以邏輯電路形式出現在FPGA中。