高能X射线ICT数据采集系统（DAS）的研究

论文摘要

在工业X-CT（Industrial Computed Tomography,简称ICT）系统中,X射线探测技术是工业X-CT系统的三大关键技术之一（X射线探测技术、图像重建及处理技术和机械与自动控制技术）。X射线探测技术就是如何把X射线与被检测物作用后,将包含有被检测物信息的射线信号转化成为计算机可进行处理的电信号。该测量技术将直接影响到工业X-CT系统的性能指标及应用效果。本文首先讨论高能X射线工业CT的探测与数据采集系统的结构,详细分析了工业CT的探测与数据采集系统各部件的工作原理和分类,并对相同器件的不同种类的优缺点进行了比较,为确定设计方案提供了参考;其次本文结合了高能X射线的特点,分析了传统的射线探测方案在高能X射线工业CT的探测与数据采集系统中的弊端,采用了一种基于电流积分放大器的高能X射线采集方案;再次在本文中我们提出CdWO4闪烁体+PIN型光电二极管+电流型A/D转换器DDC118+CYLONE系列FPGA的方案,结合实际情况论述了该方案在实际应用中的可行性以及硬件电路的实现;最后本文利用Altera公司FAPGA固件编写软件Quartus II实现基于FPGA的探测与数据采集控制系统,同时本文对探测与数据采集控制系统各个模块的实现和功能进行了详细的描述,并对每个模块进行了仿真并给出了仿真结果。在探测与数据采集系统硬件与软件实现以后,我们采用Altera公司的嵌入式逻辑分析仪SignalTap II对系统进行调试并对结果进行分析,其实验结果表明我们所设计的探测与数据采集系统性能指标达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 工业CT 概述
• 1.1.1 工业CT 工作原理
• 1.1.2 工业CT 技术特点
• 1.1.3 工业CT 发展状况
• 1.2 FPGA 现场可编程门阵列
• 1.2.1 FPGA 简介
• 1.2.2 FPGA 发展状况
• 1.3 VHDL 简介
• 1.4 课题设计任务
• 2 工业X-CT 探测原理
• 2.1 X 射线的本质
• 2.1.1 X 射线的产生
• 2.1.2 X 射线的本质
• 2.1.3 X 射线的特性阐述
• 2.2 X 射线工业CT 探测与数据采集系统结构
• 2.3 X 射线探测器
• 2.3.1 X 射线工业CT 系统探测器种类
• 2.3.2 闪烁探测器组成及工作原理
• 2.4 信号转换电路
• 2.5 逻辑控制单元
• 3 高能X 射线工业CT 探测与数据采集系统总体设计方案
• 3.1 总体设计
• 3.2 高能X 射线探测器的选取
• 3.2.1 闪烁体探测器的选取
• 3.2.2 光电转换器件的选取
• 3.2.3 射线传感器模块设计
• 3.3 信号转换电路设计
• 3.3.1 信号转换电路方案选取
• 3.3.2 DDC118 工作原理
• 3.4 逻辑控制单元
• 3.5 探测单元硬件电路设计
• 3.5.1 FPGA 核心电路板设计
• 3.5.2 A/D 外围电路板设计
• 4 基于FPGA 的数据采集控制系统设计
• 4.1 数据采集控制单元设计方案
• 4.1.1 数据采集控制系统框架
• 4.1.2 数据流控制模型
• 4.2 命令接口
• 4.2.1 串行命令接收模块
• 4.2.2 串并转换模块
• 4.2.3 仿真结果
• 4.3 命令处理模块
• 4.3.1 命令译码模块
• 4.3.2 命令校验与传输模块
• 4.3.3 仿真结果
• 4.4 数据采集控制模块
• 4.4.1 A/D 控制模块设计
• 4.4.2 数据检测单元
• 4.4.3 时钟管理模块
• 4.4.4 仿真结果
• 4.5 数据输入接口
• 4.5.1 数据输入接口控制单元
• 4.5.2 异步数据缓冲模块
• 4.5.3 串并转换模块
• 4.5.4 校验模块
• 4.5.5 选通器
• 4.5.6 仿真结果
• 4.6 数据缓冲模块
• 4.6.1 RAM 模块
• 4.6.2 写地址发生器
• 4.6.3 读地址发生器
• 4.6.4 仿真结果
• 4.7 数据输出接口
• 4.7.1 并行数据接收模块
• 4.7.2 并串转换模块
• 4.7.3 数据发送缓冲模块
• 4.7.4 数据发送模块
• 4.7.5 仿真结果
• 4.8 选通器的实现
• 5 系统抗干扰设计
• 5.1 电路抗干扰设计
• 5.2 FPGA 抗干扰设计
• 5.2.1 FPGA 电路中毛刺的产生
• 5.2.2 毛刺的消除方法
• 5.3 印制电路板的布线与工艺
• 6 系统测试
• 6.1 基于FPGA 的数字系统测试方法
• 6.1.1 概述
• 6.1.2 SignalTap II 使用简介
• 6.2 系统测试结果
• 6.2.1 DDC118 数据采集测试
• 6.2.2 串行数据发送与接收测试
• 6.2.3 测试结论
• 7 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录