引言

随着公共安全越来越受到公众的重视，X射线安检机已经成为地铁、汽车站、铁路和海关等人口密集交通场所出入等的必备安检设备。基于     FPGA   的X射线辐射图像采集与传输系统，利用X射线的穿透性扫描成像快速扫描行李箱、集装箱内物品，对枪支、易爆物和毒品等违禁物品进行快速甄别，保障公共安全与社会安宁 。X射线安检机由线阵X射线图像采集传输系统与上位机组成，本文主要研究线阵X射线图像采集与传输系统，其中包括探测板、采集板与数据板。采集系统采用基于闪烁     晶体   与硅光电     二极管   技术组合在一起的阵列式硅光电二极管探测     传感器   ，     Altera   公司（注：已被     Intel   公司收购，更名为In     te   l公司）的Cyclone IV系列可编程门阵列为核心控制器，千兆     以太网   RG     MI   I千兆媒体独立     接口   为与上位机通信媒介。

1、X射线探测系统     电路   设计

本文设计的X射线采集传输系统的硬件框图如图1所示。图像采集与传输系统的硬件包含三个部分，X射线探测器模块、FPGA     数据采集   模块和千兆以太网RGMII数据传输模块。

当 X 射线成像闪烁晶体（     CsI   ）受X射线辐照后，将X射线转换为可见光，闪烁体贴合在阵列硅光电二极管表面，阵列硅光电二极管接收到可见光后转换为     电流   信号，再由前置集成     放大器   放大，积分转化为电压信号。放大器的灵敏度是由积分电路的反馈     电容器   定义。每路运放灵敏度设置可以从控制端口进行单独控制，放大后信号通过 A/D 转化成数字信号输送到采集板 FPGA 片内，FPGA 通过LVDS传输格式将数据传输给数据板。

采集板发送到数据板是通过端口直接进入数据板 FPGA进行信号处理。信号处理单元对每个像素数据的重新排序、数据校正、暗偏移和像素点的灵敏度差异等进行处理。最后数据板通过选定的数据接口（千兆以太网通讯端口） 将图像数据发送到系统PC上，与PC以千兆     以太网接口   连接。

1.1 线阵X 射线探测器模块

线阵X射线探测器模块由闪烁晶体（CsI）与硅光电二极管组成。闪烁晶体层受X射线辐照后，将X射线转换为可见光，闪烁体贴合在阵列硅光电二极管表面，阵列硅光电二极管接收到可见光后转换为电流信号。光电二极管阵列是 64 通道阵列；素间距为1.575 mm（双能探测器通道板是两个64路，共为 128 路），HE（高能量）和LE（低能量）。

本文采用的闪烁体X射线探测器滨松S11212，由64阵列二极管组成，像素间距为1.6 mm，阵列二极管采用背照式设计，具有更高的灵敏度一致性和更小的象元变化。该探测器的工作温度在-20℃~60℃，响应光线波长λ范围为340 nm~1100 nm，暗电流平均值为5pA，最大值不超过30 pA。

1.2 FPG A 数据采集模块

线阵X射线探测器在检测到X射线入射时，探测器输出一定数量的电荷Q，电荷Q的大小与入射X射线的强度成正比。若使用电压型放大器放大信号，则输入电压 V入 =Q/（C1+C2），其中C 1 为探测器输出信号到地间的     电容   ；C 2 为放大器输入电容与分布电容的总和。半导体极间的分布电容C 2 受环境温度、外加偏压等因素变化，即在不采取有效措施的情况下，即使探测器输出的电荷Q是固定的，输入电压 V 入 也会随C 2 变化而变化，从而 V 入 与Q成非线性关系。因此，普通电压放大器在输出时，输出电压V 出 不稳定，不能得到V 出 与Q的线性关系。而电荷灵敏放大器，相当于一个开环增益很大的电容负反馈放大器， V 出 不受C 2 变化的影响且与探测器Q值成正比，电荷灵敏放大器如下图2所示。

放大器输入端电压V 入：

上式中，Q为探测器X射线照射后输出的电荷，K为放大倍数，C 1 为探测器对地的电容，C 2 为放大器输入电容及分布电容，C F 为反馈电容。

在满足上述条件时，V 出 与Q成正比，比例系数与反馈电容相关。在电荷灵敏放大器中，反馈电容不会改变为定值，于是放大器的输出电压反映了探测器的输出电荷大小。为了使探测器放大后的信号之间保持一致性与均匀性，使用DT64通道集成电荷灵敏放大器来对多通道的电荷信号进行放大。

对安检设备中线阵X射线探测电路     ADC   的要求，ADC需具有较高的分辨率，分辨率决定这图像数据的深度，为了保证图像数据的精度，通常使用16位以上分辨率的ADC；ADC应具有足够的采用率，满足在放大器信号输出时间内完成采样，本设计中电荷灵敏放大器对放大64路信号的输出时间分别为1 µs，因此对于ADC（     模数转换器   ）的采样率应大于1 Mbit/s；综合尺寸、功耗、工作环境温度等多方面的因素考虑，选用     TI   公司设计的ADS8861模数转换器，其特点是16位，采样率为1 Mbit/s，全差分输入，串行输出的SAR模数转换器。

1.3 千兆以太网R G M II数据传输模块

X射线安检系统一般需要多块探测板进行级联，一块探测板具有128个探测点，针对大型的应用环境可能为上千个探测点，因此在实际工作工程中，对图像数据快速、准确的传输有很高的要求。理想情况下数据速率计算公式如下：

数据速率=［lines / s］ × ［板的数量］ × ［128像素/板］× ［16比特/像素］= ［x Mbps］ （2）上式中［Lines/s］为积分器每秒放大的像素行，因为积分器工作周期为1 kHz，因此得到1 000 Lines/s。板的数量在普通车站、地铁、机场对行李箱安检的应用环境下最小为12块，针对海关的集装箱安检的应用环境所需板的数量最大为80块。因此在理想条件下得到最小的传输速率为24.576 MMbit/s，最大的传输速率为163.84MMbit/s。此速率仅为图像数据的传输，在实际数据传输中，为了保证数据的准确性还需考虑数据包的封装格式与相关的指令，因此大于理论的传输速率。另外对于X射线的安检设备，在系统与PC上位机的数据传输之间会有一定的距离，在大型的应用环境中需要采用较长的传输距离，为了保证数据传输的稳定性与精准度，本文采用千兆以太网进行对数据的传输，采用RTL8211D千兆网卡芯片。

本文千兆以太网数据传输根据TCP/IP协议的网络通信架构设计，整个传输的结构包含用户层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。千兆以太网数据传输的总体设计架构如图3所示。

用户逻辑部分设计部分包含用户层、传输层、网络层，主要负责根据用户自定义数据格式以及UDP、IP协议将数据进行特定格式打包与解析操作。以太网MAC控制器构成数据链路层，控制发送帧与接收帧的操作，并且负责对上层输的数据进行MAC帧打包，对从接口发送来的数据进行解析。PHY芯片组成物理层，通过FPGA的控制信号，完成对数据包的封装，并且时序控制PHY芯片将数据转化为波的形式传输给PC上位机 。

2、X射线探测系统的控制逻辑

2.1 图像采集时序控制

图像采集时序主要是FPGA对探测器的积分器与ADC采样时序控制如图4。每采集板都安装线阵X射线     图像传感器   ，每块板在接收到X射线光照射时会均匀产生与光强相对应的电流信号。通过时序控制增益可控的多路积分器对电流信号进行放大，并让ADC在规定的周期内对放大的信号进行采集，此处使用一个16位ADC分别对高低能积分值进行采样。

2.2 千兆以太网数据传输

如图5所示，由PHY芯片发送的四位数据通过DDIO模块转化为8位数据供后续模块处理。接收模块对数据解析并存储，然后将数据的有效字段提取出包括CMD、OPE、DM ID、SIZE，通过判断有效字段可以知道要执行何种功能。数据板会发送给采集板相应的信号让采集板完成对应功能。之后再将得到的数据传输通过CRC校验并发送。

3、 结论

本文提出一种以FPGA为控制核心，结合图像采集模块与千兆以太网传输模块的线阵X图像传感器采集传输系统。根据不同的应用场景，可选择不同块数的X射线探测器与采集板，采用菊花链数据传输结构方式以应对不同规模的场景。 千兆以太网的传输确保了图像数据的实时、高速与精准度，具有良好的应用价值与市场。

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