摘 要：依據X射線安檢設備各部分工作原理及控制要求，本文采用FPGA和以太網技術設計了基于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、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，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，使得多臺PC共同對可疑物品的圖像數(shù)據進行分析，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，探測卡逐行采集經過物體的射線，晶體-光電二極管將X射線轉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A/D轉換后送往圖像數(shù)據處理單元。

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以太網控制器。發(fā)送數(shù)據時，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)據幀，在收到主機發(fā)來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(shù)據，主機接到通知后發(fā)送數(shù)據包。發(fā)送過程中由CS8900A自動為要發(fā)送的數(shù)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，還會引發(fā)發(fā)送成功中斷。如果采用查詢方式發(fā)送數(shù)據，則主機對相應的寄存器進行查詢，若可以發(fā)送，CS8900A將數(shù)據幀加幀頭，生成校驗碼，最后發(fā)送至以太網中。

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

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)據的接收、處理、發(fā)送;接收到CS8900A中斷信號后進行數(shù)據解析，根據解析的數(shù)據進行參數(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。

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)據采集、控制傳送帶運行狀態(tài)、報警等。FPGA控制器通過以太網網卡接收PC發(fā)來的參數(shù)數(shù)據對整個系統(tǒng)控制調節(jié)。

控制器設計

根據控制要求，控制器主要實現(xiàn)解析IP分組、數(shù)據處理、產生控制信號、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)據處理、產生控制信號、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)網應用的迅猛發(fā)展，TCP/IP協(xié)議已成為嵌入式互聯(lián)網的主體構架。TCP/IP協(xié)議通常被認為是一個四層體系結構，包括鏈路層、網絡層、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)據的可靠性，本控制器采用該協(xié)議。

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(shù)據接收模塊、數(shù)據解析模塊

圖3中，數(shù)據接收模塊實現(xiàn)CS8900A與FPGA內數(shù)據解析模塊的鏈接。當控制模塊產生確認接收數(shù)據信號時，數(shù)據接收模塊將CS8900A接收緩沖區(qū)中的數(shù)據讀出，然后將其寫入數(shù)據解析模塊。數(shù)據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)據接收模塊的數(shù)據，將解析的數(shù)據與預存于FPGA內的數(shù)據表對照。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)據接收模塊產生采集數(shù)據信號;接收CS8900A中斷信號后對數(shù)據接收模塊產生接收網卡緩沖區(qū)中數(shù)據信號;據解析模塊所處理的指令，相應地有如下響應：產生外設參數(shù)配置信號、產生控制傳送帶運行狀態(tài)信號、產生報警信號。

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)據接收、處理及發(fā)送模塊

圖像數(shù)據接收模塊實現(xiàn)ADC與控制模塊、圖像數(shù)據處理模塊鏈接。當控制模塊產生圖像數(shù)據采集信號時，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)據寫入處理模塊。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(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)據進行IP封裝，然后將其寫入CS8900A發(fā)送數(shù)據緩沖區(qū)，啟動網卡，將此數(shù)據發(fā)送到所連接的網絡上。

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濟效益和市場前景。

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