專利名稱：多通道數(shù)字化閃光x射線成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多通道數(shù)字化閃光X射線成象裝置，屬輻射成象技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，該裝置由多個(gè)相同的探測(cè)器、并行口控制器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)工作過程為X射線穿過被研究物體打到探測(cè)器的閃爍屏，轉(zhuǎn)換為熒光圖像，通過反射鏡被CCD攝像機(jī)拍攝到，同時(shí)X射線機(jī)啟動(dòng)探測(cè)器的數(shù)字圖像采集電路，將CCD攝像機(jī)拍到的圖像數(shù)字化，存儲(chǔ)于靜態(tài)存儲(chǔ)器中。計(jì)算機(jī)通過并行口發(fā)送選通信號(hào)，分別選通各個(gè)探測(cè)器，然后計(jì)算機(jī)發(fā)讀命令將各探測(cè)器的數(shù)字圖像讀進(jìn)來。在計(jì)算機(jī)上顯示所拍到的各幅圖像。系統(tǒng)組成如

圖1。
本發(fā)明的特征在于它含有以下部件并行口控制器，與上述計(jì)算機(jī)互連且接收閃光X射線源的同步信號(hào)。以便經(jīng)并行口探測(cè)器處理后發(fā)送給各探測(cè)器，做圖像采集的啟動(dòng)信號(hào)；探測(cè)器有幾個(gè)，彼此相同，在位置分布上與射線源匹配，它含有探測(cè)器箱，位于探測(cè)器箱一側(cè)的閃爍屏，與該閃爍屏成45°角的反射鏡，位于該探測(cè)箱內(nèi)且鏡頭對(duì)準(zhǔn)閃爍屏全視野的CCD攝像機(jī)，位于該探測(cè)器箱內(nèi)且輸入端與CCD攝像機(jī)的輸出端相連而輸出端與探測(cè)器箱壁的DB25接口相連的數(shù)字圖像采集電路。
所述的位于探測(cè)器箱內(nèi)的數(shù)字圖像采集電路含有輸入緩沖放大器，輸入為視頻信號(hào)；
數(shù)/模轉(zhuǎn)換器ADC，與輸入緩沖放大器的輸出端相連；同步分離器，與輸入緩沖放大器的輸出端相連；時(shí)序的和存儲(chǔ)器存取地址控制電路，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA構(gòu)成，它分別與上述ADC和并行口控制器相互連接，而與上述同步分離器輸出端相連；靜態(tài)存儲(chǔ)器接收ADC的輸出信號(hào)且與上述FPGA互連；同步觸發(fā)器，它與上述FPGA互連。
所述的FPGA是FPGAXC3020。
所述的時(shí)序和存儲(chǔ)器存取地址的控制電路含有輸入接口接收并行口控制器的控制信號(hào)，同步分離器的同步信號(hào)，同步觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)。
用于產(chǎn)生地址信號(hào)的時(shí)序電路，輸入端與輸入接口相連；用于產(chǎn)生地址控制信號(hào)的時(shí)序控制電路，輸入端與該地址信號(hào)發(fā)生電路的輸出端相連；讀寫控制邏輯電路，和輸入接口相連；輸出接口，輸入地址控制信號(hào)和讀寫控制邏輯信號(hào)；輸出地址碼、地址控制輸出信號(hào)和面向并行口控制器的輸出控制信號(hào)。
所述的輸入緩沖放大采用芯片MAX4100。
所述的同步分離器采用芯片LM1881。
所述的靜態(tài)存儲(chǔ)器采用三片IS61C1024-15芯片。
所述的ADC采用德州儀器公司低功耗(90mW)高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510。
所述的并行口緩沖電路采用了一個(gè)芯片SN74CBT3244。
試驗(yàn)證明，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、成本低且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
圖2、探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、圖像采集電路的電路原理框圖。
圖4、輸入緩沖放大電路的電路原理圖。
圖5、同步分離器的電路原理圖。
圖6、靜態(tài)存儲(chǔ)器的電路原理圖。
圖7、ADC的電路原理圖。
圖8、同步觸發(fā)器的電路原理圖。
圖9、并行口控制器的電路原理圖。
圖10、FPGA內(nèi)部電路原理圖。
圖11、時(shí)鐘電路原理圖。
圖12、并行口緩沖電路原理圖。
各探測(cè)器結(jié)構(gòu)相同，其功能是獲取閃光數(shù)字圖像，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器。圖像象素?cái)?shù)為768×512。它們分別與并行口控制器相連。并行口控制器與計(jì)算機(jī)的并行口相連。閃光X射線源的同步信號(hào)通過并行口控制器調(diào)理后提供給各探測(cè)器，做啟動(dòng)采集信號(hào)。在做高速攝影時(shí)，各探測(cè)器的位置可以任意放置。只要與射線源的位置匹配即可。如常用的將4個(gè)探測(cè)器順序放置，拍攝彈頭的運(yùn)動(dòng)過程及姿態(tài)變化，也可以兩兩正交放置，拍攝運(yùn)動(dòng)物體垂直方向的運(yùn)動(dòng)情況?？傊綔y(cè)器位置可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況靈活擺放。
再見圖2。
探測(cè)器由X射線閃爍屏1、反射鏡2、CCD攝像機(jī)3和數(shù)字圖像采集電路4組成。X射線閃爍屏1位于探測(cè)器箱5的一側(cè)，反射鏡2與其夾45°角。CCD攝像機(jī)3固定在探測(cè)器箱5內(nèi)，通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)鏡頭，可以使攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)閃爍屏1的全視野。數(shù)字圖像采集電路4置于探測(cè)器箱5內(nèi)，CCD攝像機(jī)3的輸出與其相接。采集電路輸出與探測(cè)器箱壁的DB25接口6相接。攝像機(jī)工作于PAL制，幀積分模式。攝像機(jī)處于連續(xù)工作狀態(tài)，通過閃光X射線源給出的同步信號(hào)來啟動(dòng)圖像采集，數(shù)字化相應(yīng)的攝像機(jī)圖像。7是防護(hù)屏。探測(cè)箱反射鏡一側(cè)為斜角，在反射鏡后貼上黑色薄塑料板，以減少射線的散射干擾。
數(shù)字圖像采集電路4將攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化并存儲(chǔ)，主要由緩沖放大器、同步分離器、ADC、FPGAXC3020和靜態(tài)存儲(chǔ)器組成。圖3為其原理框圖。攝像機(jī)輸出模擬視頻信號(hào)經(jīng)放大，由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)器中。FPGAXC3020主要提供ADC需要的時(shí)序和存儲(chǔ)器的存取地址。每個(gè)圖像采集電路均通過并口線與并行口控制器相連，攝像機(jī)和采集電路電源均由并行口控制器提供。
放大器如圖4。其功能是將輸入視頻進(jìn)行線性放大。可調(diào)電阻R2主要用來調(diào)整基線電平。放大輸出為AM。
同步分離器如圖5。同步分離芯片LM1881，它可以通過AC耦合復(fù)合視頻信號(hào)，解析出復(fù)合同步信號(hào)、垂直同步信號(hào)及奇偶場(chǎng)電平信號(hào)等，用于對(duì)視頻信號(hào)的同步采集。從放大視頻AM中分離出場(chǎng)同步信號(hào)VERTICAL，行同步信號(hào)BURST。
靜態(tài)存儲(chǔ)電路如圖6。采用CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器IS61C1024L，其內(nèi)存容量為128K×8Bits，存取速度為15ns，根據(jù)采樣速率可知，一幅圖像需內(nèi)存768×512×8Bits，因此需存儲(chǔ)器3片。先通過30腿選中，又FPGA給其提供16位地址信息。在相應(yīng)地址存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
A/D轉(zhuǎn)換器如圖7。A/D轉(zhuǎn)換器采用德州儀器公司低功耗(90mW)高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510。
同步觸發(fā)器如圖8。閃光X射線源的同步信號(hào)經(jīng)過分壓，使光耦導(dǎo)通，光耦輸出經(jīng)過反相得到觸發(fā)信號(hào)VSYN。
并行口緩沖電路如圖9。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過緩沖器SN74CBT3244后，傳輸距離得到增強(qiáng)。
圖10是FPGA內(nèi)部電路原理框圖。主要包括輸入輸出接口，地址產(chǎn)生電路，地址控制電路和讀寫控制邏輯電路。輸入接口接收讀寫控制信號(hào)，攝像機(jī)同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)。輸出接口輸出靜態(tài)存儲(chǔ)器地址信號(hào)，控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。
圖11是時(shí)鐘產(chǎn)生電路原理圖。為了使時(shí)鐘頻率更加接近攝像機(jī)時(shí)鐘頻率，我們采用2倍攝像機(jī)時(shí)鐘頻率的晶振，經(jīng)過1/2分頻得到時(shí)鐘。
圖12是并行口控制器原理圖。并行口控制器由邏輯控制電路和電源模塊組成，通過一根并口線與計(jì)算機(jī)并行口相連。邏輯控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各探測(cè)器的選通，電源模塊給控制器和各探測(cè)器提供電源。計(jì)算機(jī)通過并行口控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)探測(cè)器的選通，將各幅圖像分別傳輸至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過并口讀取圖像數(shù)據(jù)之前必須選通相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電路，同時(shí)只能有一路數(shù)據(jù)采集電路被選通。圖中JPC接計(jì)算機(jī)，JCAMERA1～JCAMERA4分別接相應(yīng)的探測(cè)器，DB0～DB7為數(shù)據(jù)信號(hào)，WRITEN為寫選通信號(hào)，READIN為讀選通信號(hào)，RESET為采集電路復(fù)位信號(hào)，P18～P21接地。所選通的數(shù)據(jù)采集電路通道由鎖存器XSEL_LATCH內(nèi)的控制字決定。READIN(針腳17)為低電平時(shí)，在WRITEIN(針腳1)的下降沿計(jì)算機(jī)可以通過數(shù)據(jù)線將選通控制字寫入鎖存器?？刂谱值拿恳晃粚?duì)應(yīng)一路數(shù)據(jù)采集電路該位為1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的通道被選通。READIN和WRITEIN之間有硬件互鎖，產(chǎn)生READ和WRITE信號(hào)，后兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)為高，以保證對(duì)數(shù)據(jù)線不會(huì)同時(shí)進(jìn)行讀和寫的操作。見圖12.a及12.b。READ信號(hào)和控制字的每一位相與，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)通道的READi(I＝1，2，3，4)信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了選通功能。見圖12.c.d。另外，各路采集電路采集結(jié)束信號(hào)FINISHi(i＝1，2，3，4)(針腳12)和計(jì)算機(jī)查詢得到的FINISH信號(hào)(針腳12)滿足FINISH=ΣiFINISHi.]]>。見圖12.e。這就意味著只要有一路采集電路結(jié)束，計(jì)算機(jī)就開始獲取圖像數(shù)據(jù)。圖12.f是觸發(fā)信號(hào)分壓電路，圖12.g是四個(gè)輸入并口和輸出并口的接線圖。請(qǐng)見圖12。
由此可見，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，低成本的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置含有探測(cè)部件和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其特征在于，它含有以下部件并行口控制器與上述計(jì)算機(jī)互連且接收閃光X射線源的同步信號(hào)。以便經(jīng)并行口控制器處理后發(fā)送給各探測(cè)器，做圖像采集的啟動(dòng)信號(hào)；探測(cè)器有多個(gè)彼此相同，在位置分布上與射線源匹配，它含有探測(cè)器箱，位于探測(cè)器箱一側(cè)的閃爍屏，與該閃爍屏成45°角的反射鏡，位于該探測(cè)箱內(nèi)且鏡頭對(duì)準(zhǔn)閃爍屏全視野的CCD攝像機(jī)，位于該探測(cè)器箱內(nèi)且輸入端與CCD攝像機(jī)的輸出端相連而輸出端與探測(cè)器箱壁的DB25接口相連的數(shù)字圖像采集電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于，所述的位于探測(cè)器箱內(nèi)的數(shù)字圖像采集電路含有輸入緩沖放大器輸入為視頻信號(hào)；數(shù)/模轉(zhuǎn)換器ADC與輸入緩沖放大器的輸出端相連；同步分離器與輸入緩沖放大器的輸出端相連；時(shí)序的和存儲(chǔ)器存取地址的控制電路由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA構(gòu)成，它分別與上述ADC和并行口控制器相互連接，而與上述同步分離器輸出端相連；靜態(tài)存儲(chǔ)器接收ADC的輸出信號(hào)且與上述FPGA互連；同步觸發(fā)器它與上述FPGA互連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的FPGA是FPGAXC3020。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道數(shù)字閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的時(shí)序和存儲(chǔ)器存取地址的控制電路含有輸入接口接收并行口控制器的控制信號(hào)，同步分離器的同步信號(hào)，同步觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)。用于產(chǎn)生地址信號(hào)的時(shí)序電路輸入端與輸入接口相連；用于產(chǎn)生地址控制信號(hào)的時(shí)序控制電路輸入端與該地址信號(hào)發(fā)生電路的輸出端相連；讀寫控制邏輯電路和輸入接口相連；輸出接口輸入地址控制信號(hào)和讀寫控制邏輯信號(hào)；輸出地址碼、地址控制輸出信號(hào)、圖像數(shù)據(jù)信號(hào)和面向并行口控制器的輸出控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的輸入緩沖放大器采用芯片MAX4100。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的同步分離器采用芯片LM1881。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的靜態(tài)存儲(chǔ)器采用三片IS61C1024-15芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的ADC采用德州儀器公司低功耗(90mW)高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置，其特征在于所述的并行口緩沖電路采用了一個(gè)芯片SN74CBT3244。
全文摘要
多通道數(shù)字化閃光X射線成像裝置屬于輻射成像技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它用一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過并行口控制器來控制多個(gè)相同的探測(cè)器。脈沖X射線源發(fā)出X射線，穿過被研究目標(biāo)，同時(shí)，它通過并行口控制器向與閃光X射線源在位置上匹配的多個(gè)探測(cè)器中的各圖像采集電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行圖像的數(shù)字化采集，把數(shù)字圖像存儲(chǔ)于靜態(tài)存儲(chǔ)器中。再由計(jì)算機(jī)通過并行口把數(shù)字圖像傳入計(jì)算機(jī)。它可用于研究彈道和爆炸過程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，易于使用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04N5/32GK1447590SQ03121938
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者王 義, 程建平, 李元景, 張斌全, 鄧智, 唐樂 申請(qǐng)人:清華大學(xué)