基于FPGA和以太網技術的X射線安檢設備控制器設計

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射線觸發信號時，X射線源發出圓錐形X射線束，該射線束經準直器后變為扇形平面射線束。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。發送數據時，可以采用中斷模式和查詢方式。如果采用中斷模式發送數據幀，在收到主機發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據，主機接到通知后發送數據包。發送過程中由CS8900A自動為要發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，還會引發發送成功中斷。如果采用查詢方式發送數據，則主機對相應的寄存器進行查詢，若可以發送，CS8900A將數據幀加幀頭，生成校驗碼，最后發送至以太網中。

接收時，CS8900A將自動地從網絡中讀取數據包，在經過解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后，將數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射線源、CS8900A、X射線線性陣列探測卡等。由于FPGA內部邏輯是并發機制，所以以下進程是并發的：接收到檢測信號后觸發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據的接收、處理、發送;接收到CS8900A中斷信號后進行數據解析，根據解析的數據進行參數設置、控制傳送帶的運行狀態、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

　　系統需要完成初始化、圖像數據采集、控制傳送帶運行狀態、報警等。FPGA控制器通過以太網網卡接收PC發來的參數數據對整個系統控制調節。

　　控制器設計

　　根據控制要求，控制器主要實現解析IP分組、數據處理、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協議的解析;生成IP分組就是進行數據的封裝。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、產生控制信號、生成IP分組都是以邏輯電路形式出現在FPGA中。