輻射成像數據採集設備的製作方法

2023-05-17 10:20:51

專利名稱：輻射成像數據採集設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及輻射檢測技術領域，特別涉及輻射成像系統中對 探測器信號進行釆集、處理的設備。
背景技術：
射線穿過物體時會被吸收，其吸收強度與物體的密度、厚度等物 理特性有關，輻射成像系統利用這一物理原理進行成像。在輻射成像系統中，探測器將包含有被測物信息的射線信號轉化 成易於處理的電信號，經過後續的放大、成形等處理，並進行模數轉換，變成數位訊號，傳輸到計算機；圖像處理分系統將這些數據處理， 可以重建出檢測的透視圖像。探測器信號包含被測物的信息，為得到這些信息，要做相應的後 續處理，包括進行放大濾波成形，降低噪聲，提高信噪比，進行A/D 變換等。由於這些信息是圖像處理分系統進行圖像重建的信息來源， 因此釆集的準確性(信噪比的好壞、數字量化的精度等)對圖像質量 有直接影響。傳統的探測器前放電路基本上釆用阻容反饋前放，模擬信號傳輸一定距離後進行A/D變換，實現數據採集。這種數據釆集的方式的測 量誤差主要表現在以下幾點阻容反饋前放的反饋電阻噪聲；成形電 路的彈道虧損；採樣保持電路不能準確在脈衝峰頂釆樣，從而帶來的 測量誤差；前放信號模擬傳輸會帶來傳輸幹擾。另外，傳統的數據採集系統釆用的是16位A/D，當模擬電路的信噪比高於16位時，A/D的 量化噪聲也將成為影響系統總體信噪比的主要因素。實用新型內容本實用新型的目的是為了克服上述現有技術中存在的缺陷，提供
一種用於輻射成像的數位化探測器模塊及數據獲取模塊。為了實現上述實用新型目的，本實用新型釆用如下技術方案 一種輻射成像數據採集設備，包括探測器裝置、主控裝置和通用 計算機，所述探測器裝置包括至少一探測器，用於將X射線轉換為 電流信號，至少一開關積分前放模塊，用於將所述電流信號進行積分 前置放大，至少一差值濾波模塊，用於在所述開關積分前放模塊將所 述電流信號積分放大的同時使用差值濾波模塊減小開關電荷的噪聲， 至少一A/D轉換模塊，用於將經開關積分前放模塊和差值濾波模塊放 大、濾波後的模擬信號變換為數位訊號，至少一數據緩存模塊，用於 存儲A/D變換後的數位訊號；所述主控裝置通過接口電路與所述探測 器裝置相連，並且通過乙太網接口與通用計算機進行通信，將數據傳 送給圖像處理軟體，由圖像處理軟體根據這些與探測器相關的數據進 行圖像重建。優選的，所述探測器裝置還具有時序、控制電路，使用FPGA產 生前放的開關控制時序、A/D變換時序、各模塊之間的通訊協議，並 同時使用FPGA內部的雙口 RAM作為數據緩存。優選的，所述開關積分前放模塊中包括八個相同的前放通道電 路，每個前放通道電路分別由一開關積分前放晶片、兩個相同的釆樣 保持電路和一差分放大器組成。優選的，多個所述探測器裝置可以通過串行接口級連起來，最後 與一個主控模塊連接，將數據傳送到主控裝置，通過乙太網接口與通 用計算機進行通信和數據傳輸。優選的，所述開關積分前放模塊可以釆用IVC102或ACF2101 晶片。優選的，所述A/D轉換模塊中的A/D晶片可以是ADS1251、 ADS1252、 ADS1254或ADS1256等24位A/D晶片。優選的，所述的主控裝置中也具有一時序、控制電路，通過FPGA產生接口通訊時序，接收來自探測器裝置的數據、實現數據緩存，並 產生同步控制時序。優選的，在所述接口電路中，控制信號和數據信號釆用不同的接 口進行數據傳輸。優選的，在所述接口電路中，使用RS485進行控制信號的傳輸, 使用LVDS進行數據信號的傳輸。優選的，在所述主控裝置中釆用單片機網絡模塊RCM3200來進 行數據的獲取和與通用計算機的通訊。本實用新型具有以下優點1. 釆用開關積分放大器作為探測器的前置放大器，解決了傳統 阻容反饋前放的反饋電阻噪聲、成形電路的彈道虧損的問題；同時， 採用差值濾波的方法減小開關積分放大器帶來的開關噪聲的負面影 響，因此，具有測量準確、噪聲低的優點。2. 採用24位的A/D進行模數轉換，具有精度高、動態範圍大的優點。3. 使用FPGA產生前放的開關控制時序、A/D變換時序、各模塊 之間的通訊協議、並同時使用FPGA內部的雙口RAM做數據緩存，具 有電路簡化、集成度高、可擴展性強的優點。4. 使用RS485差分信號進行控制信號的傳輸、使用LVDS差分信 號進行數據信號的傳輸，具有抗幹擾能力強、數據傳輸率高的優點。5. 使用單片機網絡模塊進行數據獲取和與計算機通訊，具有通 訊協議簡單、使用方便的優點。


圖l為本實用新型的工作原理圖； 圖2為探測器裝置中前放子電路板工作原理圖； 圖3為探測器裝置中開關積分前放和差值濾波電路結構圖； 圖4為探測器裝置中A/D主電路板工作原理圖5為探測器裝置中24位A/D電路結構圖；圖6為探測器裝置中FPGA和接口電路結構圖；圖7為主控裝置的工作原理圖；圖8為主控裝置的FPGA和接口電路結構圖；圖9為主控裝置單片機網絡模塊RCM3200電路結構圖；圖10為本實用新型的使用框圖。
具體實施方式
以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。本實用新型提出的用於輻射成像的數位化探測器模塊及數據獲 取模塊結合附圖和實施例說明如下。為方便理解，在以下的表述中， 探測器裝置又可稱為前放-A/D模塊，主控裝置又被稱為主控模塊。參看圖l，虛線部分為實現本實用新型的數位化探測器模塊和數 據獲取模塊的電路，包括實現前置放大及模數變換的前放-A/D模 塊、實現數據獲取和控制的主控模塊，對應的電路有對探測器信號進 行開關積分放大及差值濾波的電路、模數轉換電路、數據緩存和控制 電路、接口電路、控制及網絡傳輸電路。前放-A/D模塊由前放電路子板和A/D主電路板構成，通過插針 實現電氣連接。圖2為前放-A/D模塊中前放電路子板的工作原理圖。如圖2所 示， 一塊前放電路子板中包括八個相同的前放通道電路，分別連接到 探測器信號的八個輸入端和前放信號的八個輸出端。每個前放通道電 路由一開關積分前放電路、兩個相同的採樣保持電路和一差分放大器 組成。探測器的信號輸入到開關積分前放進行前置放大後，送到兩個 相同的採樣保持電路，分別是在探測器信號到來之前和之後進行保持 後，再將這兩路信號送到差分放大器去相減，從而保留了信號幅度的 大小，同時又減去了由於開關積分前放開關過程中帶來的有漲落的本
底，進而達到減小噪聲的目的。前放電路子板每個前放通道電路的具體實現電路如圖3所示。其 中開關積分前放晶片可以是IVC102、 ACF2101,釆樣保持晶片可以是 LF298或其他模擬開關，在本實施例中，開關積分前放使用的是 IVC102，採樣保存晶片使用的是LF298。探測器信號IN經過晶片U1 (IVC102)放大，輸入到晶片U2、 U3 (LF298)進行採樣保持，再 送到差分放大器U4 (INA133)進行差分放大後成為輸出信號OUT輸 入到A/D主電路板。控制開關前放和釆樣保存的控制信號RESET、 SHO、 SH1也由A/D主電路板提供。 一塊前放電路子板中有八個相同 功能的上述前放通道電路。圖4為前放-A/D模塊中A/D主電路板的工作原理圖，其中的A/D 部分、FPGA和接口電路部分的具體實現電路分別如圖5和圖6所示。 在圖4中， 一個A/D主電路板使用四個四通道的A/D晶片，可以接兩個 前放電路子板。前放子電路輸出的放大成形的信號輸入到24位A/D進 行模數轉換，變換完的數據送到FPGA的A/D數據緩存RAM中進行緩 存，再通過接口電路傳輸出去，FPGA同時還完成開關積分前放、A/D 變換等時序控制信號的產生。圖5為A/D主電路板中A/D部分的具體實現電路，其中A/D晶片可 以是ADS1251、 ADS1252、 ADS1254、 ADS1256等24位A/D晶片，在 本實施例中，使用的是ADS1254,四通道的A/D，可以對來自前放子 電路板的四個通道信號進行模數變換。前放子電路板的各通道信號輸 出OUT分別連接到A/D的輸入VO0~VO3,變換完的數據在SCLKO的 控制下，由DO一RD信號輸出。U2為基準電壓源，為A/D晶片提供參 考電壓。 一塊A/D主電路板中有四個相同功能的A/D，從而實現十六 個信號通道的模數變換，變換好的數據送到FPGA。A/D主電路板中FPGA和接口電路部分的具體實現電路如圖6所 示。在本實施例中，FPGA使用的是XC2S50，連接各個A/D的DO—RD
信號，接收A/D變換好的數據，並將其存儲，實現數據緩存的功能， 同時還產生開關前放控制信號RESET、 SH0、 SH1以及A/D變換時序 的控制信號SCLKO等。接口電路由U14( MAX3096 )、U15( MAX9112 )、 U16 (MAX9113)構成，分別實現RS485控制信號的接收和LVDS數 據信號的輸入和輸出。其中U14 (MAX3096)為RS485接收器，接收 從主控模塊經電纜傳輸來的差分控制信號(RS、 HS等)，轉換成TTL 電平，送到FPGA中，控制FPGA產生前放-A/D模塊的復位、同步等 時序；U16 (MAX9113)是LVDS接收器，接收從前一個前放-A/D 模塊經電纜傳輸來的差分串行數據信號SDI和相應差分時鐘信號 SDCLKI，轉換成TTL電平，送到FPGA中，並由此得到前一個前放-A/D模塊的數據，在FPGA中緩存；U15 (MAX9112)是LVDS發送器， 將FPGA需要發送的數據信號SDO和相應差分時鐘信號SDCLKO轉換 成LVDS差分信號，通過電纜將數據傳送到下一個前放-A/D模塊或 主控模塊。圖7為主控模塊的工作原理圖，通過接口電路主控模塊實現與前 放- A/D模塊的通訊。通訊時序和控制時序由主控模塊中的FPGA產 生，並將輸入的數據保存在FPGA內部的數據緩存RAM中；FPGA再 將數據傳送到單片機網絡模塊RCM3200，並通過乙太網最終將數據 傳送到計算機；另外，FPGA中產生同步控制信號，同步源可以是外 同步信號，也可以是內同步信號，同步輸出信號用於級連更多的主控 模塊，實現協同工作。圖8為主控模塊中FPGA和接口電路部分的具體實現電路。在本實 施例中，FPGA使用的是XC2S50,產生接口通訊時序，接收來自前放 -A/D的數據、實現數據緩存，並產生同步控制時序，接口電路由U6(MAX3096)、 U7 ( MAX3032E )、 U8 ( MAX9113 )構成，分別實現 RS485控制信號的接收和輸出以及LVDS數據信號的輸入。其中U7(MAX3032E)為RS485發送器，將FPGA產生的對前放-A/D模塊的
控制信號(RS、 HS等)，轉換成RS485差分電平傳送出去；U8 (MAX9113)是LVDS接收器，接收從前放-A/D模塊經電纜傳輸來 的差分串行數據信號SDI和相應差分時鐘信號SDCLKI，轉換成TTL 電平，送到FPGA中，並由此得到前放-A/D模塊的數據；U6 (MAX3096)為RS485接收器，當該主控模塊作為從模塊時，可以接 收主模塊的同步信號。由於主控模塊和前放-A/D模塊之間的控制信 號使用RS485差分信號進行傳輸、數據信號使用LVDS差分信號進行 傳輸，因而具有抗幹擾能力強、數據傳輸率高的特點。圖9為主控模塊中單片機網絡模塊RCM3200接口的具體實現電 路，RCM3200的PA、 PB、 PE等埠與FPGA相連，實現對FPGA的寄 存器讀寫、工作方式的控制、數據的讀出等等。圖10為本實用新型的使用框圖。在本實施例中，圖10所示為一個 MxNxl6通道的系統組成框圖，總共有M個主控模塊，每個主控模 塊帶有N個前放-A/D模塊(共16 x N個通道)，其中O號主控模塊為主 模塊，其他為從模塊，以保證數據的同步。主模塊接收外同步信號， 並由此產生同步輸出，從模塊接收主模塊的同步輸出，從而實現各模 塊間的數據同步。前放-A/D模塊之間通過多芯電纜串行連接，最後 一個模塊和主控模塊相連。所有的主控模塊和計算機都通過網線連接 的交換機，組成一個區域網，實現數據通訊。以上實施方式僅用於說明本實用新型，而並非對本實用新型的限 制，雖然本實施例表述的是輻射檢測技術，但本領域技術人員可以將 其應用到其它領域以解決輻射成像數據採集問題，有關技術領域的普 通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍的情況下，還可以做 出各種變化和變型，因此本領域技術人員在本實施例的基礎上進行的 所有相關的擴展和應用都應落入本申請的保護範圍。
權利要求1、一種輻射成像數據採集設備，包括探測器裝置、主控裝置和通用計算機，其特徵在於，所述探測器裝置包括至少一探測器，用於將X射線轉換為電流信號，至少一開關積分前放模塊，用於將所述電流信號進行積分前置放大，至少一差值濾波模塊，用於在所述開關積分前放模塊將所述電流信號積分放大的同時使用差值濾波模塊減小開關電荷的噪聲，至少一A/D轉換模塊，用於將經開關積分前放模塊和差值濾波模塊放大、濾波後的模擬信號變換為數位訊號，至少一數據緩存模塊，用於存儲A/D變換後的數位訊號；所述主控裝置通過接口電路與所述探測器裝置相連，並且通過乙太網接口與通用計算機進行通信和數據傳輸。
2、 如權利要求1所述的輻射成像數據釆集設備，其特徵在於所 述探測器裝置還具有時序、控制電路，使用FPGA產生前放的開關控 制時序、A/D變換時序、各模塊之間的通訊協議，並同時使用FPGA 內部的雙口 RAM作為數據緩存。
3、 如權利要求1所述的輻射成像數據釆集設備，其特徵在於 所述開關積分前放模塊中包括八個相同的前放通道電路，每個前放通 道電路分別由一開關積分前放晶片、兩個相同的釆樣保持電路和一差 分放大器組成。
4、 如權利要求1至3之一所述的輻射成像數據釆集設備，其特 徵在於多個所述探測器裝置可以通過串行接口級連起來，最後與 一個 主控模塊連接，將數據傳送到主控裝置，通過乙太網接口與通用計算 機進行通信和數據傳輸。
5、 如權利要求4所述的輻射成像數據釆集設備，其特徵在於所 述開關積分前放模塊可以釆用IVC102或ACF2101晶片。
6、 如權利要求4所述的輻射成像數據釆集設備，其特徵在於所 述A/D轉換模塊中的A/D晶片釆用24位A/D晶片。
7、 如權利要求4所述的輻射成像數據採集設備，其特徵在於所 述A/D轉換模塊中的A/D晶片可以是ADS1251、ADS1252、ADS1254 或ADS1256。
8、 如權利要求4所述的輻射成像數據採集設備，其特徵在於所 述的主控裝置中也具有一時序、控制電路，通過FPGA產生接口通訊 時序，接收來自探測器裝置的數據、實現數據緩存，並產生同步控制 時序。
9、 如權利要求5-8之一所述的輻射成像數據採集設備，其特徵 在於在所述接口電路中，控制信號和數據信號釆用不同的接口進行 數據傳輸。
10、 如權利要求9所述的輻射成像數據釆集設備，其特徵在於 在所述接口電路中，使用RS485進行控制信號的傳輸，使用LVDS 進行數據信號的傳輸。
11、 如權利要求IO所述的輻射成像數據採集設備，其特徵在於 在所述主控裝置中釆用單片機網絡模塊來進行數據的獲取和與通用 計算機的通訊。
專利摘要本實用新型涉及輻射檢測技術領域。一種輻射成像數據採集設備，所述設備包括探測器裝置、主控裝置和通用計算機，所述探測器裝置包括至少一用於將X射線轉換為電流信號的探測器，至少一用於將所述電流信號進行積分前置放大的開關積分前放模塊，至少一用於減小開關電荷的噪聲的差值濾波模塊，至少一A/D轉換模塊，和至少一數據緩存模塊；所述主控裝置通過接口電路與所述探測器裝置相連，並且通過乙太網接口與通用計算機進行通信和數據傳輸。本實用新型具有測量準確、噪聲低、精度高、動態範圍大、電路簡化、集成度高、可擴展性強、抗幹擾能力強、數據傳輸率高、通訊協議簡單、使用方便的優點。
文檔編號G08C19/16GK201017459SQ20072010381
公開日2008年2月6日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者張清軍, 朱維斌, 李元景 申請人:同方威視技術股份有限公司