基于PCI1716的CBS系統數據采集與處理方案的設計

劉偉豪，陳嘉敏，沈天明，尤曉明

（公安部第三研究所，上海201204）

0 引 言

X射線數字輻射成像技術結合X射線探測技術和計算機技術在無損狀態下獲得被檢測物的輻射投影圖像。該技術已廣泛應用于無損檢測及安檢等領域。其中透射式成像技術應用已經比較成熟，能準確提取被檢物的等效原子系數來得到投影方向的二維密度信息。X射線康普頓背向散射 （CBS）成像技術通過測量康普頓散射光子的強度得到被測物體內三維空間中某點的電子密度信息。背散技術除了具有輻射劑量低特點外，它對低原子系數的物質很敏感，特別適合對毒品、爆炸物等物品的探測，能夠在反恐、禁毒和安檢等領域發揮重要作用。為此我們開發出了一套X射線背散射 （CBS）違禁品檢查系統，主用來檢查個人攜帶的行李物品。

在CBS系統工作過程中，對待檢物品逐掃描的同時，需要進行數據的采集、傳輸、處理和實時成像顯示，即邊掃描邊成像顯示。與一般實時數據采集系統相比，本數據采集與處理系統的特點主要有：數據的實時采集、傳輸、部分數據處理、成像顯示和刷新是同步進行的；數據采集與處理基于Windows非實時操作系統。

CBS系統數據采集的這些特殊性，給設計一個高效可靠的數據采集與處理系統帶來了難度。目前普遍采用的方法是設計專用的數據采集硬件，但該方法也存在著一些不足，為此系統中采用了另外一種數據實時采集與處理的方法，在硬件上不用開發專用的采集卡，而是使用通用數據采集卡，并結合一些軟件技術，實現CBS安檢系統的實時數據采集和處理。與其它高速數據采集設計方法相比，本方案具有開發周期短、可靠性高、成本低、通用性高和擴展性強等優點。

1 系統總體結構與分析

1.1 系統總體結構

X射線背向散射成像違禁品檢查系統的基本構造主要包括X射線背散射探測模塊、傳送帶機構、模擬信號處理電路、系統控制模塊、計算機信號采集與處理以及成像顯示等部分組成。其模型如圖1所示。

圖1 X射線CBS違禁品探測系統模型

X射線周期性掃描被檢查物體，被檢物在傳送帶上沿垂直于X射線束掃描方向平移，探測器同步測量各部位產生背散射線的強度，并將測得信號按時序排列，經后端核電子學電路處理后輸出給數據采集卡，經過A／D轉換后將數字化的數據傳送到計算機，進行一系列處理后就可得到被檢物的二維背散射數字圖像。計算機主要功能是負責數據的傳輸、處理、成像顯示和系統控制等工作。

1.2 系統對數據采集的要求

系統在工作過程中對物體掃描的同時采集背散射信號，在完成一定行的掃描后，實時地將采集的背散信號作必要處理后成像顯示在屏幕上。系統對數據采集有以下要求：

（1）每行數據掃描間隔為10ms，每個掃描行采樣2048個數據點，數據采樣率為200KHZ；

（2）行數據的采樣必須與行同步信號在時序上嚴格同步，同步信號之后開始數據采樣，下一個同步信號之前必須完成本數據行的采樣；

（3）每完成一行的數據采集后，必須對采樣的數據進行必要的處理并實時成像顯示，數據采樣和處理、成像顯示是同時進行的。

由此可見系統對數據采樣的實時性要求較高，特別是要做到在Windows環境下實現同步數據采樣、處理和顯示并保證采樣數據的完整性和正確性，對數據采集與處理的設計提出了很高的要求。

1.3 系統數據采集的設計方式

目前對于類似于CBS這類設備的數據采集與處理有多種設計方式。文獻 ［1］中采用PC＋FPGA的系統架構，利用FPGA進行數據采集，數據通過串口傳輸到PC。文獻［2－4］中則是采用ARM＋FPGA的方式，FPGA實現系統數據采集。文獻 ［5］中采用基于PCI總線方式，利用PCI專用控制芯片S5933和CPLD電路實現了工業CT多通道數據采集與傳輸。

上述數據采集方案優點是可以根據功能需要進行定制，可將某些數據處理的功能在電路中完成，簡化數據采集和處理的軟件設計，系統實時性好。但開發周期長，通用性不強、成本較高，特別是在電路的設計與調試、底層驅動程序的編寫與調試等方面要耗費較多的人力物力，而且可靠性上需要經過長期檢驗。

為此在CBS安檢系統的數據采集和處理的設計中采用了另外一種方式：Windows系統下通用數據采集卡＋PC機形式。該方式開發周期短、成本低、擴展性強、可靠性高。但由于數據的處理成像需由應用程序完成，會增加系統軟件設計的復雜度。

具體實現中選用Advantech（研華）公司高速數據采集卡PCI－1716，該采集卡有16個通道模擬量輸入，采樣速率可達250KS／s，采樣分辨率16bits。支持3種觸發方式進行A／D轉換：軟件觸發、內部定時觸發、外部觸發。支持32位PCI總線控制的DMA數據傳輸。每個通道均內嵌2K FIFO高速同步緩存，可實現更快速的數據轉換。

2 系統數據采集與處理方案的設計

數據的高速實時采集對數據采集卡有很高的要求，但僅有高性能的硬件還遠遠不夠，必須設計高效合理的數據采集硬件和軟件實施方案。首先要從硬件上保證數據采樣的連續性和完整性；而采集卡實時采集的數據如不能及時取走也會造成數據丟失，必須有高效的軟件措施盡量避免采樣數據的丟失。因此要達到系統對數據采集的要求需要從兩個方面入手：數據采集硬件措施和軟件實施方案。

X射線CBS系統中的模擬信號處理模塊接收背散信號探測器的信號，經處理后進入PCI1716的A／D轉換器進行高速模數轉換。轉換數據首先暫存在板載2K字節的FIFO中。當FIFO半滿或全滿時，向DMA控制器發送DMA請求，使用直接內存存取方式經PCI總線將數據從FIFO傳送到采樣緩沖區。

采樣緩沖區和傳輸緩沖區是用戶程序分配給驅動程序使用的內存區。采樣緩存存放的是從FIFO傳來的原始值，傳輸緩存存放經轉換后的電壓值。PCI－1716的循環方式可進行長時間高速數據采集，一次采樣過程能進行多次的A／D轉換。內部緩存分為前后相等的兩個半區使用。

2.1 常規的數據采集方案

結合系統對數據采樣的要求和數據采集卡的特點，常規的據采集方案 （開發過程中采用的第一個方案）如下：觸發方式——定時觸發 （pacer觸發）；A／D轉換時鐘——內部時鐘；觸發源——外部觸發；采樣方式——非循環采樣。

接收的X射線背散射信號輸入到PCI－1716的一個模擬輸入端口進行A／D轉換，數據的采集采用外部觸發模式，由行同步信號發生器產生行同步信號作為外部觸發信號，每個外部觸發脈沖上升延開始進行數據的A／D轉換，每行采樣2048個數據后A／D轉換停止，并對當前采樣的行數據進行處理和成像顯示，同時等待下一個觸發信號的產生，進行下一行數據的A／D轉換和處理。

2.1.1 數據采集過程中遇到的問題

上述常規數據采集方案實現簡單，不需要額外的輔助硬件。但對實時性和連續性要求很高的CBS系統來說，會產生較嚴重的數據丟行和錯位問題。

（1）數據錯位：例如圖2是采用該方案采集數據經常出現的問題，即數據錯位現象。該圖是對一規則方形木塊進行掃描采樣得到的背散數據成像圖，白色條形區域是木塊背散成像區，該成像區應該具有整齊的邊緣，但圖中白色圓圈處卻出現了異常。從后兩個白圈中可以看到有一掃描行數據出現了錯位，該行的木塊采樣數據出現在白色木塊區域的上方，第1個白圈的情況則相反。

圖2 采樣圖像的數據錯位

（2）數據丟行：數據采集時發生數據丟行的現象不易直接觀測到，為了對數據丟行情況進行檢測，在實驗中對設備作必要改動：對周期性產生的行同步信號系列中，將第4n（n為正整數）個行同步信號所在的掃描期內的X射線強度人為減弱，其它同步周期內X射線強度不變，這樣每四條掃描線中就有一行暗掃描線，形成規則的明暗相間條紋，即兩條暗掃描線之間有三條正常掃描線。但發生采樣數據丟行時這種規則的條紋會被打亂。下面以一個實驗作說明。

圖3兩幅圖片中右上角子圖是經上述改動后的掃描數據成像全局視圖，圖中白線左邊部分是規則的明暗相間條紋，而白線右邊部分的條紋則出現了紊亂。為觀察其中的細節，將全局圖中白線左邊白色小區域在photoshop中放大得到圖3上圖。從上圖可看出，黑色掃描線等間隔出現，即每4列出現一次，對應于第4n個行同步信號的掃描線。同樣將全局圖右邊白色區域放大得到圖3下圖。與上圖相比，下圖中暗掃描線出現的間隔顯得雜亂無章，如前兩條暗線之間只間隔2條線，表明在4個行同步信號的采樣過程中有一行數據丟失了。而第3和第4條線之間則相隔了5條線，說明在采樣時至少有一條暗線所對應的掃描數據行丟失了。

圖3 采樣圖像的數據丟行

2.1.2 產生數據丟行和錯位原因分析

產生上述兩種問題的原因主要是由于采集卡功能上的限制及數據采集方案的缺陷造成的。

在本系統中要求數據的采樣和行同步信號嚴格同步，每個同步信號來臨后啟動數據采樣，下一個同步來臨前要完成指定數據量的采樣，并要留出一定時間完成A／D轉換操作，如圖4所示。

圖4 數據采樣的時序要求

圖4中TL：同步信號開始到采樣啟動的間隔；TC：本行數據采樣結束到下一同步來臨之前時間間隔；為保證數據采樣的連續性和完整性，對時間TC和TL的要求是：

TC＞0：以保證在下一同步來臨前完成本行數據的采樣并留出時間準備下次采樣。如果在第n＋1個同步進來時第n個同步信號的采樣還未完成，采集卡將不響應第n＋1個同步信號，造成數據行丟失。

TL：每行采樣的TL值應該盡可能相等，否則會使各行數據采樣的起始位置不同，造成采樣物的邊緣參差不齊，嚴重時造成明顯的數據錯位。

常規的數據采集方案的問題在于，由于采集卡功能的限制，每個同步信號采樣完指定量的數據后，再進行下個同步信號的數據采集時，需要對采集卡進行軟件復位。因為軟件復位要受到系統線程調度的制約，使軟件對采集卡復位到真正開始采樣的時間間隔TL具有不確定性，如圖5所示。

圖5 常規數據采集方案的采樣時序

TL的不確定不能保證一個行同步信號周期內完成一行數據采樣，使得下個同步信號的采樣被忽略，造成采樣數據行丟失。嚴重的數據行丟失會造成掃描圖像的顯著失真，影響圖像的后續處理。如圖8中兩幅圖像為同一物體在相同掃描速度下的成像圖，由于存在不確定性的掃描行丟失，結果在數據行丟失嚴重時物體成像寬度明顯偏小。同時TL的不確定也使物體成像邊緣不齊，形成 “毛邊”現象。

2.2 改進的數據采集硬件實施方案

針對常規的數據采集方案的缺陷，新的數據采集方案的設計設法從硬件上保證不會發生數據丟行和錯位的情況。關鍵問題在于確保同步信號開始到采樣啟動的時間間隔TL固定不變。因此需摒棄同步信號后采樣軟件復位的方式。

為此結合數據采集卡PCI－1716的特性，設計了如下方案：觸發方式：定時觸發 （pacer觸發）；A／D轉換時鐘：由內部時鐘改為外部時鐘；觸發源：由外部觸發改為內部觸發；采樣方式：由非循環采樣改為循環采樣；

在內部定時觸發 （Pacer觸發）方式下，內部時鐘無法保證與外部信號嚴格同步，因此A／D轉換時鐘改為外部輸入時鐘，通過同步信號控制外部輸入時鐘來實現行同步信號與數據采樣的同步。這些功能由PLD電路實現，PLD模塊在每個行同步信號輸入后才輸出時鐘脈沖，脈沖數等于每行采樣的數據量。在循環采樣方式下，只要有外部時鐘信號輸入采樣就不會停止。下一同步信號行的采樣不需要對采集卡軟件復位，只要有時鐘信號即可繼續進行數據采樣。

行同步信號后產生的時鐘脈沖完全由硬件電路控制，使得TL和TC可以根據需要固定下來。這樣從硬件上保證了在下一個同步信號來臨之前完成當前行的數據采樣，不會造成采樣行數據的丟失。新數據采集方案時序圖如圖6所示。

具體實施中通過行同步信號來控制數據采集的啟動和停止。當行同步信號停止觸發PLD模塊產生時鐘脈沖時，采集卡也就處于停止狀態 （如圖中tn時刻）。只有使行同步信號觸發出時鐘脈沖時 （如圖中t1和t2時刻），采集卡才開始采樣。

圖6 改進的數據采樣時序圖

上述改進的數據采集方案從硬件上保證了數據采樣的完整性和正確性，但僅有硬件上的保證還不能避免數據丟行和錯位問題的發生。因為在連續高速的數據采集系統中采集卡只負責把采集的數據輸送到采樣緩沖區中，此時還需軟件將采樣緩沖區中的數據及時取走，否則新的采樣數據會覆蓋原來的數據，同樣會造成數據丟失。如圖7所示，A／D轉換數據送入數據緩沖區之后，CPU將其中的數據通過PCI總線傳輸到內存buffer中，此過程中若CPU從數據緩沖區中取數據速度慢于采樣速度，數據覆蓋 （Overrun）的問題就發生了。因此數據采集的軟件設計同樣至關重要。

圖7 PCI－1716數據采集結構

2.3 數據采集軟件設計的關鍵技術研究

軟件設計中一個關鍵問題是如何防止數據的丟失，數據丟失一般是由數據處理及顯示與數據采集之間的矛盾引起的，因為Windows是一個多任務的非實時操作系統，數據處理和成像顯示必然會對實時數據采集產生一定的時延作用，造成數據丟失。因為Windows系統線程切換的時間典型值約為20ms，而本系統每行數據采樣間隔是10ms，因此有可能在采樣過程中發生線程切換而使得采樣數據不能及時取走造成數據丟失。

為實現高效的數據采樣軟件實施方案，需充分利用采集卡提供的功能并結合合理的軟件設計提高系統資源利用率，實現數據采樣的高效和實時。

（1）數據傳輸方式的選取

數據采集卡進行數據傳輸主要有3種方式：軟件查詢方式：查詢寄存器的狀態來實現數據傳輸。中斷傳輸方式：每次A／D轉換結束產生一個硬件中斷，然后由中斷服務程序 （ISR）完成數據傳輸。DMA數據傳輸方式：將板卡上的數據不通過CPU直接傳輸到內存中。

3種方式中軟件查詢方式速度慢多用于低速數據采集場合，中斷傳輸方式每次中斷都要進行中斷現場保護和恢復，頻繁的中斷需要大量的中斷開銷，也不適合高速連續的數據采集。DMA方式不需要CPU的參與所以特別適合大量數據的高速采集。

由于本系統需要采集的數據量大，同時還要進行數據的實時處理等工作，要求數據采集時不能占用過多的CPU資源，因此采用了DMA數據傳輸方式。

（2）FIFO的運用

PCI－1716板卡中每路均內嵌2Kbytes FIFO高速同步緩存。設置FIFO的目的是為了防止在高速采集和傳輸數據過程中丟失數據，特別是在像Windows這樣的多任務操作系統下，通常板卡完成A／D轉換后，將數據寫入到數據輸出寄存器中，接著使用DMA功能將數據傳輸到內存。如果沒有FIFO功能，每次硬件完成A／D轉換后會改寫保存在數據寄存器中的值，如果上次A／D的數據在新數據到來之前沒有被傳輸到CPU內存，這個數據就丟失了。

利用PCI－1716的特性，將FIFO設置為循環緩沖區（Circ－Buf），這樣在指針到達緩沖區底部時系統會自動修改指針指向緩沖區的頭部，而不需要人工修改。PCI總線延時也可能造成數據丟失，采用了板上提供的1KSample的FIFO作為緩存，保證了數據的完整性。

（3）雙緩沖區技術的運用

設置 PCI－1716采 集 卡 運 行 在 循 環 采 集 Bus－master DMA模式下，并給板卡分配采樣緩沖區和傳輸緩沖區，FIFO緩存中的數據通過DMA方式經PCI總線傳送到采樣緩沖區。采樣緩沖區被分成大小相等的第一和第二half緩沖區，同時用戶程序還分配一個傳輸緩沖區接收從采樣緩沖區中傳來的數據，然后傳輸緩沖區中的數據將進行后續數據處理和成像顯示。

兩個大容量緩沖區的存在解決了高速采集的部分問題，同時32位33M的PCI總線保證了數據從FIFO傳輸到內部緩存的傳輸帶寬問題。

（4）采樣緩沖區容量設置的研究

在逐行掃描逐行顯示模式下，采樣緩沖區容量設置為一行數據的大小即2048個樣本 （4096Bytes），當第二half緩沖區滿時就要進行數據的傳輸和處理以及成像顯示了。此時任一half緩沖區滿的時候應用程序必須立即取走數據，因此每5ms就要向傳輸緩沖區傳送一次數據。實驗證明在Windows這種非實時操作系統中，采樣緩沖區容量設置為一行數據量大小時，會發生頻繁的數據丟行現象，為此必須在緩沖區容量設置上進行改進。

將單行掃描單行顯示改為掃描數行后再成像顯示在視覺效果上的幾乎沒有影響，但能避免數據采樣中出現的許多問題。為此將采樣緩沖區容量設置為4行數據量的大小，即8192個樣本，相當于一個數據采樣行對應于4個掃描行，則填滿每個half緩沖區的時間為20ms（2個掃描行），數據處理間隔延長到40ms，應用程序取數據和處理數據間隔顯著延長，發生數據丟行的概率也大為減少 （圖8）。

圖8 采樣緩沖區的容量設置

采樣緩沖區容量設置為4行數據量大小還可避免一個數據行中出現兩行數據混疊 （數據串行）的問題。在半緩沖區容量等于半個掃描行數據量的情況下，在第一half緩沖區拷貝到傳輸緩沖區中當前行相應位置時，第二half緩沖區發生了數據覆蓋 （overrun），填入的是下一行中某個半行的數據，結果傳輸緩沖區中當前行相應位置中對應的是不同行的兩個半行組合的數據，出現數據紊亂。將half緩沖區容量設置為2個掃描行后，即使發生數據覆蓋的情況，只會發生數據行丟失，不會出現下一行上半行的數據填入當前行的下半行的情況，如圖9所示。

圖9 采樣數據混迭現象

2.4 系統數據采集與處理的軟件設計

2.4.1 系統數據采集與處理的軟件方案

Windows是一種基于消息驅動機制和線程優先級的搶先式多任務操作系統，但并不是實時操作系統，沒有提供足夠的實時處理功能。因此在Windows系統下開發實時測控系統需要運用一些技術。

在軟件設計的實施中，為減少系統工作過程中數據處理、圖像重建、存儲和顯示刷新對高速連續的數據采集產生的延時作用，采用Windows系統多線程技術有效利用Windows等待時間，提高程序執行效率。為此根據系統功能需要創建的線程主要有：數據采集、數據處理、圖像顯示刷新和圖像存儲、人機交互及系統控制等線程。

在線程設計時綜合考慮多種因素，實現對不同運行速度和時間精度的線程間同步，單個線程的運行快慢不影響其它線程的運行；合理規劃線程之間的通訊，解決線程間的數據交換和共享問題；

數據采集和處理和圖像存儲線程不接受用戶輸入屬于工作者線程，采用后臺工作方式。在優先級的設定上，數據采集線程優先級最高，其次是數據處理線程。

系統工作時，數據采集卡向內存緩沖區中添加采集到的數據，采集完一個采樣行的數據后，數據處理線程開始工作，從內存緩沖區中讀取數據，進行處理、圖像重建和顯示。數據采集線程繼續采集數據，等待下一行數據。數據存儲線程只有在采集數據達到制定長度后才啟動，完成數據的保存后線程掛起。數據采集和處理、顯示線程之間通過事件消息實現線程同步，通過全局數據對象進行數據共享。數據采集和數據分析顯示同時進行，提高了系統資源利用率的同時，也實現了數據的連續采集和實時性，如圖10所示。

圖10 系統軟件流程

2.4.2 系統數據處理的方式

由于在采集過程中要將采集的數據及時地成像顯示，因此對于某些簡單的數據處理如去噪聲、數據成像等操作可在每個采樣行數據采集完成后進行，而對需要用到全局信息和較復雜的數據處理如圖像后處理、違禁品凸顯和報警等操作放在完成一件物品的掃描，數據采樣暫停后進行。這種處理方式可盡量減小數據處理對數據實時采集的影響。

3 數據采樣實驗結果分析

新的數據采集方案效果可以從成像質量主觀判斷，例如觀測采集的成像圖是否出現數據錯位 （一個邊緣整齊的物體掃描成像后邊緣是否也齊整，是否有毛刺），數據丟行是否嚴重 （在選擇適當掃描速度情況下物體成像圖是否出現明顯的縱橫比例失調）。

此外也有其它客觀的衡量方式，在數據進行采集的過程中，通過軟件查詢采集卡的狀態可以知道當前是否發生數據覆蓋，即數據丟行，記錄一定采集時間內發生數據覆蓋的次數，可以作為衡量數據采集發生丟行情況的參考指標。經實驗觀測，常規的數據采集方案每采集1000行數據大約會檢測到10－16行的數據丟失，而同樣情況下改進的數據采集方案基本上檢測不到數據行的丟失。這一點也可以用2.1.1所提到的方法進行掃描所得到的圖像進行局部放大，觀察暗條紋的分布情況得到證實。

4 結束語

本文針對CBS檢測設備提出了一種基于通用數據采集卡的數據采集與處理方案，旨在簡化系統數據采集的設計，減少系統開發周期和成本，提高其可靠性和穩定性。

根據CBS探測系統對數據采集的要求和容易出現的問題，在硬件上采用研華公司通用數據采集卡PCI1716并設計相應的前端模擬信號濾波、信號放大、外部行同步信號和時鐘脈沖發生裝置。在軟件設計上運用多線程和其它一些關鍵技術，實現高速數據采集的同時，完成數據的處理、分析和實時成像顯示刷新。

該數據采集和處理方案已經成功應用于X射線背散射違禁品檢測產品中，實際使用情況表明，該方法簡單實用、運行穩定可靠，達到了預期目的。方案中所提出的技術和方法也可以在類似的高速數據采集領域推廣應用。

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