基于FPGA的X射線安檢設備控制器設計

　　摘 要：依據(jù)X射線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射線安檢設備控制器。本文以Xilinx公司的ISE為開發(fā)平臺，在ModelSim中仿真了控制器各個模塊的功能，得到了符合控制器要求的波形。

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

　　引言

　　X射線安檢設備廣泛應用于機場、車站、海關(guān)、港口、倉庫等地。近年來由于犯罪分子大量使用先進的偽裝技術(shù)，使傳統(tǒng)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射線安檢設備控制器，該控制器通過加載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(shù)據(jù)進行分析，進而提高鑒別精度。

　　工作原理及控制要求

　　X射線安檢設備主要由X射線源、傳送裝置、控制器、X射線線性陣列探測卡、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射線安檢設備原理如圖1所示。

　　圖1中，當控制器產(chǎn)生X射線觸發(fā)信號時，X射線源發(fā)出圓錐形X射線束，該射線束經(jīng)準直器后變?yōu)樯刃纹矫嫔渚€束。射線束穿過傳送帶上待檢測物，X射線部分能量被吸收，最后轟擊X射線線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射線源移動時，探測卡逐行采集經(jīng)過物體的射線，晶體-光電二極管將X射線轉(zhuǎn)換成一個正比于所吸收的X射線流量和能量的電流信號，經(jīng)放大和積分后，得到一個正比于積分電流乘積分時間的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送往圖像數(shù)據(jù)處理單元。

　　圖1 X射線安檢設備原理示意圖

　　CS8900A工作原理

　　CS8900A是一個集成了ISA總線接口的10Base-T以太網(wǎng)控制器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以采用中斷模式和查詢方式。如果采用中斷模式發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在收到主機發(fā)來的命令后檢測內(nèi)部空間，若空間足夠大，芯片通知主機傳送數(shù)據(jù)，主機接到通知后發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送過程中由CS8900A自動為要發(fā)送的數(shù)據(jù)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，還會引發(fā)發(fā)送成功中斷。如果采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，則主機對相應的寄存器進行查詢，若可以發(fā)送，CS8900A將數(shù)據(jù)幀加幀頭，生成校驗碼，最后發(fā)送至以太網(wǎng)中。

　　接收時，CS8900A將自動地從網(wǎng)絡中讀取數(shù)據(jù)包，在經(jīng)過解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后，將數(shù)據(jù)幀在片內(nèi)進行緩存。在CRC校驗通過后，CS8900A會根據(jù)初始化配置情況，通知主機收到了數(shù)據(jù)幀。最后選擇I/O模式、Memory模式、DMA模式中的一種，將數(shù)據(jù)傳送到主機的存儲區(qū)中。本設計選用I/O模式對數(shù)據(jù)進行讀取。

　　FPGA控制器工作原理

　　系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA控制器初始化X射線源、CS8900A、X射線線性陣列探測卡等。由于FPGA內(nèi)部邏輯是并發(fā)機制，所以以下進程是并發(fā)的：接收到檢測信號后觸發(fā)X射線源、X射線線性陣列探測卡，當接收到ADC的EOC端信號后進行圖像數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送;接收到CS8900A中斷信號后進行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)解析的數(shù)據(jù)進行參數(shù)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射線安檢設備控制器工作流程圖

　　控制要求

　　系統(tǒng)需要完成初始化、圖像數(shù)據(jù)采集、控制傳送帶運行狀態(tài)、報警等。FPGA控制器通過以太網(wǎng)網(wǎng)卡接收PC發(fā)來的參數(shù)數(shù)據(jù)對整個系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)。

　　控制器設計

　　根據(jù)控制要求，控制器主要實現(xiàn)解析IP分組、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)生控制信號、生成IP分組等任務。解析IP分組實際上是對TCP/IP協(xié)議的解析;生成IP分組就是進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)在FPGA中。

　　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(gòu)架。TCP/IP協(xié)議通常被認為是一個四層體系結(jié)構(gòu)，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?，僅實現(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。

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　　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(jié)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(shù)，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。

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　　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(jié)果得出，控制信號時序正確，符合控制要求。

　　結(jié)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?！?/P>

　　參考文獻

　　1.孫麗娜,原培新. X射線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.車繼海,王琪.基于FPGA的可編程PCM采編器的實現(xiàn).[J].計算機與現(xiàn)代化,2006,1:24-27