摘 要：依據X射線安檢設備各部分工作原理及控制要求，本文采用FPGA和以太網技術設計了基于FPGA的X射線安檢設備控制器。本文以Xilinx公司的ISE為開發平臺，在ModelSim中仿真了控制器各個模塊的功能，得到了符合控制器要求的波形。
引言
X射線安檢設備廣泛應用于機場、車站、海關、港口、倉庫等地。近年來由于犯罪分子大量使用先進的偽裝技術，使傳統的安檢設備顯得力不從心。針對上述情況，本文設計了基于FPGA的X射線安檢設備控制器，該控制器通過加載Thin TCP/IP接入以太網，使得多臺PC共同對可疑物品的圖像數據進行分析，進而提高鑒別精度。
工作原理及控制要求
X射線安檢設備主要由X射線源、傳送裝置、控制器、X射線線性陣列探測卡、以太網控制器(CS8900A)、屏蔽輻射所需的機械裝置、裝有該設備配套軟件的PC等組成，X射線安檢設備原理如圖1所示。
圖1中，當控制器產生X射線觸發信號時，X射線源發出圓錐形X射線束，該射線束經準直器后變為扇形平面射線束。射線束穿過傳送帶上待檢測物，X射線部分能量被吸收，最后轟擊X射線線性陣列探測卡上的晶體管。被檢測物體以某一速度相對于探測卡和X射線源移動時，探測卡逐行采集經過物體的射線，晶體-光電二極管將X射線轉換成一個正比于所吸收的X射線流量和能量的電流信號，經放大和積分后，得到一個正比于積分電流乘積分時間的電壓，再經A/D轉換后送往圖像數據處理單元。
圖1 X射線安檢設備原理示意圖
CS8900A工作原理
CS8900A是一個集成了ISA總線接口的10Base-T以太網控制器。發送數據時，可以采用中斷模式和查詢方式。如果采用中斷模式發送數據幀，在收到主機發來的命令后檢測內部空間，若空間足夠大，芯片通知主機傳送數據，主機接到通知后發送數據包。發送過程中由CS8900A自動為要發送的數據幀添加前導符、定界符、CRC校驗碼等。若相應的寄存器已被設置，還會引發發送成功中斷。如果采用查詢方式發送數據，則主機對相應的寄存器進行查詢，若可以發送，CS8900A將數據幀加幀頭，生成校驗碼，最后發送至以太網中。
接收時，CS8900A將自動地從網絡中讀取數據包，在經過解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后，將數據幀在片內進行緩存。在CRC校驗通過后，CS8900A會根據初始化配置情況，通知主機收到了數據幀。最后選擇I/O模式、Memory模式、DMA模式中的一種，將數據傳送到主機的存儲區中。本設計選用I/O模式對數據進行讀取。
FPGA控制器工作原理
系統上電后，FPGA控制器初始化X射線源、CS8900A、X射線線性陣列探測卡等。由于FPGA內部邏輯是并發機制，所以以下進程是并發的：接收到檢測信號后觸發X射線源、X射線線性陣列探測卡，當接收到ADC的EOC端信號后進行圖像數據的接收、處理、發送;接收到CS8900A中斷信號后進行數據解析，根據解析的數據進行參數設置、控制傳送帶的運行狀態、報警等相應操作。工作流程如圖2所示。
圖2 X射線安檢設備控制器工作流程圖
控制要求
系統需要完成初始化、圖像數據采集、控制傳送帶運行狀態、報警等。FPGA控制器通過以太網網卡接收PC發來的參數數據對整個系統控制調節。
控制器設計
根據控制要求，控制器主要實現解析IP分組、數據處理、產生控制信號、生成IP分組等任務。解析IP分組實際上是對TCP/IP協議的解析;生成IP分組就是進行數據的封裝。本文是基于FPGA芯片設計的控制器，所以，解析IP分組、數據處理、產生控制信號、生成IP分組都是以邏輯電路形式出現在FPGA中。
FPGA控制器中TCP/IP協議的裁剪方案
隨著互聯網應用的迅猛發展，TCP/IP協議已成為嵌入式互聯網的主體構架。TCP/IP協議通常被認為是一個四層體系結構，包括鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。在本設計中，根據控制器的具體要求，對TCP協議進行了適當的裁剪，僅實現了四個協議：ARP(地址解析)、IP(網絡協議)、ICMP(控制報文協議)、TCP。
TCP是一種面向連接的協議，它能提供高可靠性服務。通過使用序列號和確認信息，TCP協議能夠向發送方提供到達接收方的數據包的傳送信息，從而實現端對端的通信，為了保障圖像數據的可靠性，本控制器采用該協議。
FPGA控制器片內邏輯設計
本文采用VHDL分模塊設計了基于FPGA的安檢設備控制器。FPGA片內邏輯設計框圖如圖3所示。
圖3 FPGA片內邏輯設計框圖
數據接收模塊、數據解析模塊
圖3中，數據接收模塊實現CS8900A與FPGA內數據解析模塊的鏈接。當控制模塊產生確認接收數據信號時，數據接收模塊將CS8900A接收緩沖區中的數據讀出，然后將其寫入數據解析模塊。數據解析模塊實際上是將上述TCP/IP裁剪協議硬件化，主要用于解析來自數據接收模塊的數據，將解析的數據與預存于FPGA內的數據表對照。若解析的結果是指令和外設參數，將其分別寫入控制模塊和外設參數配置模塊，否則將其丟棄。
控制模塊
控制模塊是FPGA控制器的核心模塊，主要用于接收檢測信號后觸發X射線源、探測卡;接收ADC的EOC端信號后對圖像數據接收模塊產生采集數據信號;接收CS8900A中斷信號后對數據接收模塊產生接收網卡緩沖區中數據信號;據解析模塊所處理的指令，相應地有如下響應：產生外設參數配置信號、產生控制傳送帶運行狀態信號、產生報警信號。
外設初始化和參數配置模塊
外設初始化模塊在系統上電時，對控制器外設發送初始化信號，然后檢測控制模塊對其是否發送指令，若有指令，則重新初始化外設。外設參數配置模塊用于對外設進行參數設置，當控制模塊對其產生參數配置信號時，該模塊將參數寫入初始化模塊，
圖像數據接收、處理及發送模塊
圖像數據接收模塊實現ADC與控制模塊、圖像數據處理模塊鏈接。當控制模塊產生圖像數據采集信號時，接收模塊給X射線線性陣列探測卡發送啟動采集信號，然后將ADC圖像數據寫入處理模塊。處理模塊針對內置幾何校正、灰度變換、偽彩色等多種清晰度增強算法，利用數字圖像處理技術，將圖像對比度和清晰度進行增強。發送模塊對處理模塊處理好的圖像數據進行IP封裝，然后將其寫入CS8900A發送數據緩沖區，啟動網卡，將此數據發送到所連接的網絡上。
實驗與驗證
由于VHDL是并發程序，所以要把順序執行的思想轉化為并發設計思想。本設計采用Xilinx公司的ISE8.1在Virtex- xc2v6000芯片上實現了控制功能，在Modelsim SE6.1b中進行了仿真。由仿真結果得出，控制信號時序正確，符合控制要求。
結語
本文在分析X射線安檢設備部分組成器件工作原理及控制要求的基礎上，設計了FPGA內部邏輯，給出了控制器的工作流程，驗證了控制信號時序的正確性。預計此種控制器可以帶來可觀的經濟效益和市場前景。■