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基于小间隔X射线阵列探测器信号采集系统的研制

作　者: 陈聃青
导　师: 高富强；安康
学　校: 重庆大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 工业CT 信号采集小间隔X射线阵列探测器 AD转换
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 30次
引　用: 1次
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内容摘要

工业CT(ICT),即计算机断层扫描成像,是当今无损检测(NDT)领域的最佳检测技术,在工业产品检测中得到了广泛的应用。随着科技的进步及制造业的发展,在微电子器件、生物工程等领域,物件尺寸趋于小型化,内部结构也日益精密复杂。因此,对工业CT的检测效率及图像分辨率提出了更高的要求。本课题针对这一需求,提出了一种基于小间隔X射线线阵探测器的信号采集系统的设计方案。该系统可应用于低能X射线的小焦点/微焦点CT系统中,实现对小型精密复杂器件的检测。作为工业CT的重要组成部分,信号采集系统的功能是完成X射线信号的采集、转换,再通过传输控制系统提供给上位计算机进行图像重建。信号采集系统由信号探测电路、信号转换电路及采集控制电路三部分组成。信号探测电路的主要功能是实现X射线信号的探测及前期转换,选用DT公司生产的线阵探测器芯片X-CARD 0.2-256来完成。芯片集成了闪烁体、光电二极管以及调理电路,能采集20-160KeV的X射线信号并直接转换为模拟电压信号输出。同时,该芯片具有较强的抗电磁干扰能力,输出信号波动小。探测器集成度高,51.2mm长度的探测阵列集成了256个探测通道,像素尺寸仅为0.2mm(实际光电二极管探测尺寸为0.1mm)。信号转换电路的主要功能是实现模拟电压信号的模数转换。系统采用AD7674来完成,该芯片具有18bit高转换精度及低噪声的特点。主控电路的主要功能是监控上位机的命令信号、根据设备需求控制信号采集系统的探测采集及将采集到的数据按要求发送给传输控制系统。课题选用具有并行处理能力的FPGA作为主控芯片。本课题的主要工作可分为硬件电路设计和逻辑控制设计两部分。考虑到系统的扩展性及兼容性,硬件设计采用了模块化设计思想,可根据不同设备需求,增减探测器芯片的数量。逻辑控制设计采用自顶向下的设计思路,通过异步RAM及乒乓操作实现数据高速采集传输。程序使用VerilogHDL语言编写,并借助QuartusII软件及ModelSim软件完成编译、综合、仿真。在系统的联合调试中,使用SignalTap在线逻辑分析仪进行信号观察,完善了逻辑控制设计。系统已实现与ICT中心现有的传输控制系统及上位机采集软件的联调,能够准确迅速地完成信号的采集传输,达到预期目标。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 工业CT 概述  8-11
    1.1.1 工业CT 发展概况  8-9
    1.1.2 工业CT 工作原理及基本结构  9-11
  1.2 课题研究现状  11
  1.3 课题研究意义  11-12
  1.4 课题主要研究内容  12-14
2 系统方案研究  14-28
  2.1 系统结构分析  14-15
  2.2 信号探测模块方案研究  15-22
    2.2.1 射线源及探测器方案研究  15-16
    2.2.2 扫描方式及数据采集方案  16-18
    2.2.3 信号调理电路研究  18-19
    2.2.4 探测器芯片选择  19-22
  2.3 信号转换电路方案研究  22-26
    2.3.1 AD 方案选择  22-23
    2.3.2 AD7674 介绍  23-26
  2.4 采集电路主控制器选择  26-27
  2.5 本章小结  27-28
3 信号采集系统硬件电路设计  28-44
  3.1 信号探测电路  28-29
  3.2 AD 转换电路  29-34
    3.2.1 模拟信号输入电路  30-33
    3.2.2 基准电压  33
    3.2.3 电源供电  33-34
  3.3 FPGA 及外围电路  34-39
    3.3.1 FPGA 电源电路  34
    3.3.2 FPGA 时钟电路  34-35
    3.3.3 FPGA 配置电路  35-37
    3.3.4 FPGA 与上位机接口  37-38
    3.3.5 FPGA 与X-CARD 接口  38-39
  3.4 电源管理电路  39-41
  3.5 信号采集系统PCB 设计  41-43
  3.6 本章小结  43-44
4 信号采集系统逻辑实现  44-66
  4.1 开发流程  44-46
  4.2 信号采集系统设计思想  46-51
    4.2.1 自顶向下设计  46-47
    4.2.2 有限状态机技术  47
    4.2.3 时域转换  47-51
  4.3 逻辑设计框架  51-52
  4.4 通讯模块  52-54
  4.5 命令解析模块  54-57
  4.6 X-CARD 控制模块  57-59
  4.7 数据采集及存储模块  59-62
  4.8 数据发送模块  62-65
  4.9 本章小结  65-66
5 系统调试与性能分析  66-76
  5.1 硬件调试  66-68
  5.2 逻辑调试  68-73
  5.3 性能分析  73-76
6 总结与展望  76-78
  6.1 论文总结  76
  6.2 项目展望  76-78
致谢  78-80
参考文献  80-82
附录  82
  A. 作者攻读学位期间发表的论文目录  82
  B. 作者攻读学位期间参与项目情况  82

基于小间隔X射线阵列探测器信号采集系统的研制

内容摘要

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