基于FPGA的X射線(xiàn)安檢設備控制器設計

　　摘 要：依據X射線(xiàn)安檢設備各部分工作原理及控制要求，本文采用FPGA和以太網(wǎng)技術(shù)設計了基于FPGA的X射線(xiàn)安檢設備控制器。本文以Xilinx公司的ISE為開(kāi)發(fā)平臺，在ModelSim中仿真了控制器各個(gè)模塊的功能，得到了符合控制器要求的波形。

　　關(guān)鍵詞：FPGA;X射線(xiàn)線(xiàn)性陣列探測卡;CS8900A;TCP/IP

　　引言

　　X射線(xiàn)安檢設備廣泛應用于機場(chǎng)、車(chē)站、海關(guān)、港口、倉庫等地。近年來(lái)由于犯罪分子大量使用先進(jìn)的偽裝技術(shù)，使傳統的安檢設備顯得力不從心。針對上述情況，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。

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　　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。

　　FPGA控制器中TCP/IP協(xié)議的裁剪方案

　　隨著(zhù)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(gè)四層體系結構，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層。在本設計中，根據控制器的具體要求，對TCP協(xié)議進(jìn)行了適當的裁剪，僅實(shí)現了四個(gè)協(xié)議：ARP(地址解析)、IP(網(wǎng)絡(luò )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(wù)。通過(guò)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據包的傳送信息，從而實(shí)現端對端的通信，為了保障圖像數據的可靠性，本控制器采用該協(xié)議。

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　　FPGA控制器片內邏輯設計

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

　　圖3 FPGA片內邏輯設計框圖

　　數據接收模塊、數據解析模塊

　　圖3中，數據接收模塊實(shí)現CS8900A與FPGA內數據解析模塊的鏈接。當控制模塊產(chǎn)生確認接收數據信號時(shí)，數據接收模塊將CS8900A接收緩沖區中的數據讀出，然后將其寫(xiě)入數據解析模塊。數據解析模塊實(shí)際上是將上述TCP/IP裁剪協(xié)議硬件化，主要用于解析來(lái)自數據接收模塊的數據，將解析的數據與預存于FPGA內的數據表對照。若解析的結果是指令和外設參數，將其分別寫(xiě)入控制模塊和外設參數配置模塊，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(xiàn)源、探測卡;接收ADC的EOC端信號后對圖像數據接收模塊產(chǎn)生采集數據信號;接收CS8900A中斷信號后對數據接收模塊產(chǎn)生接收網(wǎng)卡緩沖區中數據信號;據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。

　　外設初始化和參數配置模塊

　　外設初始化模塊在系統上電時(shí)，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。外設參數配置模塊用于對外設進(jìn)行參數設置，當控制模塊對其產(chǎn)生參數配置信號時(shí)，該模塊將參數寫(xiě)入初始化模塊，

　　圖像數據接收、處理及發(fā)送模塊

　　圖像數據接收模塊實(shí)現ADC與控制模塊、圖像數據處理模塊鏈接。當控制模塊產(chǎn)生圖像數據采集信號時(shí)，接收模塊給X射線(xiàn)線(xiàn)性陣列探測卡發(fā)送啟動(dòng)采集信號，然后將ADC圖像數據寫(xiě)入處理模塊。處理模塊針對內置幾何校正、灰度變換、偽彩色等多種清晰度增強算法，利用數字圖像處理技術(shù)，將圖像對比度和清晰度進(jìn)行增強。發(fā)送模塊對處理模塊處理好的圖像數據進(jìn)行IP封裝，然后將其寫(xiě)入CS8900A發(fā)送數據緩沖區，啟動(dòng)網(wǎng)卡，將此數據發(fā)送到所連接的網(wǎng)絡(luò )上。

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　　實(shí)驗與驗證

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

　　結語(yǔ)

　　本文在分析X射線(xiàn)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內部邏輯，給出了控制器的工作流程，驗證了控制信號時(shí)序的正確性。預計此種控制器可以帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益和市場(chǎng)前景?！?/P>

　　參考文獻

　　1.孫麗娜,原培新. X射線(xiàn)安檢設備的智能控制與診斷.[J].計算機測量與控制, 2005,13(7)： 658-661

　　2.車(chē)繼海,王琪.基于FPGA的可編程PCM采編器的實(shí)現.[J].計算機與現代化,2006,1:24-27