X射線安檢裝置實時成像系統設計

顧樂旭

摘要：針對公共出行過程中大量行李物品不斷考驗安檢設備效率的現狀，本文設計了一套具有多通道采集和網絡快速傳輸的X射線安檢儀實時檢測成像系統。該系統使用具有高集成度的ZYNQ芯片進行開發，利用其PL（Processing Logic）端完成實時數據多通道采集和數據處理，用PS（Processing System）完成系統的控制并利用Lwip（Light Weight IP協議）進行TCP/IP協議的以太網傳輸，并針對數據特點進行圖像處理實現初步灰度圖成像顯示。

關鍵詞：ZYNQ；多通道采集；實時成像；Lwip；TCP/IP

中圖分類號：TL816.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0160-02

由于X射線安檢設備使用環境的不同，所檢測的物體體積大小各異[1-3]，所以其可布置的探測器序列數目需求應進行相應調整，以保證安檢檢測質量。但普遍安檢設備，因缺少擴展接口而無法增加探測器序列，或對擴展后增加的檢測數據不能進行實時傳輸，所以無法實現按需調整的需求。本設計應用ZYNQ中的PL端進行多通道數據采集和時序控制，其高頻時鐘工作范圍不僅能提高數據采集的速度和精度，而且可以根據實際需求增減探測器序列的數目，擴大檢測范圍。同時在PS端嵌入FreeRTOS實時操作系統可以對采集端進行指令下達和實時控制調整，并實現千兆以太網功能，可以保證數據的實時傳輸以便上位機進行圖像實時顯示。

1 系統硬件設計

1.1 線陣列探測器選取

本次成像系統使用的是線陣列探測器序列來檢測X射線經過物體的透射和衰減程度，根據實際性能和應用需求，選用日本濱松公司所生產的CF248-1式X射線探測模塊，此探測模由多個PD陣列模塊組成。采集方式是雙能采集方式，每塊CF248-10有4對PD，每對PD對應16個像素、32個通道，即每塊CF248-10有128個通道。本次設計八串同時可連接探測器模塊的接口，每串可串聯15塊上述探測器序列，可達到15360個通道，帶載120塊CF248-10。可根據實際采集狀態調節積分時間和高低能增益。

1.2 系統總體設計方案

本文設計所采用的主要芯片是XILINX公司生產的ZYNQ-7000，其PL端的高頻率工作時鐘和快速處理能力可以滿足160Mbps采集數據的速率以及對數據進行并行處理的需要，其PS端為成像系統的控制處理單元，不僅可以完成上位機對探測器序列的控制，而且可以運行實時操作系統，構建以太網傳輸，實現上位機的實時成像。系統主體結構框圖如圖1所示，數據采集模塊可連接多個通道的探測器序列，增加了可檢測的范圍和精度，并將采集的數據經過實時操作系統處理，并會在DDR3進行緩存，然后通過PHY芯片用以太網方式傳輸以便上位機可以對檢測物體進行實時成像檢測。并通過串口功能對PS端操作系統的運行狀態和數據通信進行監測。

2 系統軟件程序設計

系統的硬件程序設計分為數據采集模塊和數據傳輸模塊兩部分，數據采集模塊（PL端）的數字邏輯將采用VHDL語言進行編寫，數據傳輸模塊（PS端）的程序設計將采用C語言配合FreeRTOS實時操作系統進行編寫。系統的系統硬件邏輯架構圖如圖2所示，系統的實時成像將在上位機搭建顯示平臺，進行實時顯示。

2.1 數據采集模塊邏輯設計

數據采集模塊的數字邏輯設計是在PL端進行的，主要包括參數設置單元、控制處理單元、數據生成轉換單元、差分信號轉換單元四個部分。參數設置單元是數據采集模塊（PL端）對上位機指令的轉換解析模塊，通過接收PS端發出的指令，按照相關報文協議對接收到的數據進行分配整理，生成可供控制處理單元和數據轉換生成單元的各類參數和控制命令。

控制處理單元將作為數據采集模塊的核心，對探測器序列采集的數據和PS端傳遞過來的參數控制信息進行主要的整合處理，按照參數單元解析的指令，對采集數據進行數據截取，得到滿足一定成像條件的并行數據。

數據生成轉換單元將對控制單元生成的數據，按照參數設置單元對采集數據的要求，對數據進行有效部分的提取，并根據相應報文對數據打包，形成可供傳輸到PS端的數據包。

差分信號轉換單元是將探測器序列的差分信號進行轉換成可供FPGA端進行邏輯設計的單端數字信號。而采用差分信號傳輸也是為了保證信號傳輸的穩定性和完整性。

2.2 數據傳輸模塊邏輯設計

針對實時成像的系統需求，在PS端設計時需選用合適的實時操作系統對程序進行實現，考慮到PS端運行空間大小及實時性與可靠性等因素，選擇FreeRTOS作為本次設計的操作系統，并應用以太網的方式進行數據傳輸，采用Lwip堆棧實現TCP/IP協議，可以有效減少存儲器利用量和代碼尺寸，并有效的和實時操作系統結合，實現實時傳輸。數據傳輸模塊程序運行框圖如圖3所示。

移植Lwip堆棧在FreeRTOS中進行套接字socket的設置，完成TCP/IP的握手連接以及IP地址和MAC地址的設置，再通過創建相關數據傳輸任務函數，而任務運行的順序按優先級的設定進行，任務之間的信息通信經過隊列進行傳遞。在獲得上位機下達的指令后，按相關指令獲取數據后將通過DMA方式進行傳輸，減小對PL端的中央處理單元的占用。上位機相應參數控制指令也將通過ARM進行相應轉化后，調用Bram寄存器傳達到數據采集模塊中，使采集模塊按照上位機指令進行工作。

3 系統實時成像設計與系統調試

系統實時成像軟件是通過VisualC++6.0開發環境，結合Windows Socket開發方式完成TCP/IP協議的千兆以太網傳輸，并調用成像函數設定圖像寬度，生成像素為1024*640的灰度圖。通過將本系統安裝在型號為THSCAN CX6550B的X射線檢測機上進行性能檢測，對國家統一規定的安檢使用標準體（如圖4）進行成像測試，得到的初步標準體成像（如圖5）。根據初步實時成像灰度圖效果表明，圖像整體邊緣顯示清晰，但實物細節顯示不清楚，因此用邊緣檢測方法進行圖像去躁銳化，經過Roberts算子，Prewitt算子，Sobel算子進行圖像銳化后，依然無法顯示實物細節。經分析得知，在灰度值范圍為0到65535范圍內，像素差值小于30，人類的肉眼將無法識別，各算子所計算的梯度值差別也很小。由Kirsch算法的原理啟發，將單一像素周圍八個方向的像素值進行相減求絕對值運算，根據絕對值的大小和絕對值的范圍，提取像素差值在15范圍的像素，并對提取像素進行雙對角線與水平垂直四個方向的中值濾波，進行單獨成像可見原始圖像無法顯示的細節，但無法保證原圖像的完整性。針對這一現象，通過計算提取出的像素中值，利用本系統灰度成像的范圍與計算所得像素中值進行比較，調整像素值大小，收縮灰度級范圍，進而得到清晰的標準體檢測圖（如圖6）。并將相應圖像處理方法在上位機中進行編程，完成成像系統的設計。

參考文獻

[1]楊雷，高富強，李嶺，等.高速低能X射線工業CT數據采集與傳輸[J].計算機應用，2014，34（11）：3361-3364.

[2]馬偉.X射線安檢機系統設計與實現[D].南昌大學，2013.

[3]李紅偉.X 射線圖像采集與處理技術研究[D].長春理工大學，2012.endprint