CN100589140C

CN100589140C - 辐射成像采集设备及辐射成像数据采集方法

Info

Publication number: CN100589140C
Application number: CN200710064358A
Authority: CN
Inventors: 朱维斌; 李元景; 张清军
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: CN101266714A

Abstract

本发明涉及辐射检测技术领域。一种辐射成像数据采集设备及使用该设备的辐射成像数据采集方法，所述设备包括探测器装置、主控装置和通用计算机，所述探测器装置包括至少一用于将X射线转换为电流信号的探测器，至少一用于将所述电流信号进行积分前置放大的开关积分前放模块，至少一用于减小开关电荷的噪声的差值滤波模块，至少一A/D转换模块，和至少一数据缓存模块；所述主控装置通过接口电路与所述探测器装置相连，并且通过以太网接口与通用计算机进行通信和数据传输。本发明具有测量准确、噪声低、精度高、动态范围大、电路简化、集成度高、可扩展性强、抗干扰能力强、数据传输率高、通讯协议简单、使用方便的优点。

Description

辐射成像采集设备及辐射成像数据采集方法

技术领域

本发明涉及辐射检测技术领域，特别涉及辐射成像系统中对探测器信号进行采集、处理的方法及设备。

背景技术

射线穿过物体时会被吸收，其吸收强度与物体的密度、厚度等物理特性有关，辐射成像系统利用这一物理原理进行成像。

在辐射成像系统中，探测器将包含有被测物信息的射线信号转化成易于处理的电信号，经过后续的放大、成形等处理，并进行模数转换，变成数字信号，传输到计算机；图像处理分系统将这些数据处理，可以重建出检测的透视图像。

探测器信号包含被测物的信息，为得到这些信息，要做相应的后续处理，包括进行放大滤波成形，降低噪声，提高信噪比，进行A/D变换等。由于这些信息是图像处理分系统进行图像重建的信息来源，因此采集的准确性(信噪比的好坏、数字量化的精度等)对图像质量有直接影响。

传统的探测器前放电路基本上采用阻容反馈前放，模拟信号传输一定距离后进行A/D变换，实现数据采集。这种数据采集的方式的测量误差主要表现在以下几点：阻容反馈前放的反馈电阻噪声；成形电路的弹道亏损；采样保持电路不能准确在脉冲峰顶采样，从而带来的测量误差；前放信号模拟传输会带来传输干扰。另外，传统的数据采集系统采用的是16位A/D，当模拟电路的信噪比高于16位时，A/D的量化噪声也将成为影响系统总体信噪比的主要因素。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种用于辐射成像的数字化探测器模块及数据获取模块。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种辐射成像数据采集设备，包括探测器装置、主控装置和通用计算机，所述探测器装置包括：至少一探测器，用于将X射线转换为电流信号，至少一开关积分前放模块，用于将所述电流信号进行积分前置放大，至少一差值滤波模块，用于在所述开关积分前放模块将所述电流信号积分放大的同时使用差值滤波模块减小开关电荷的噪声，至少一A/D转换模块，用于将经开关积分前放模块和差值滤波模块放大、滤波后的模拟信号变换为数字信号，至少一数据缓存模块，用于存储A/D变换后的数字信号；所述主控装置通过接口电路与所述探测器装置相连，并且通过以太网接口与通用计算机进行通信，将数据传送给图像处理软件，由图像处理软件根据这些与探测器相关的数据进行图像重建。

优选的，所述探测器装置还具有时序、控制电路，使用FPGA产生前放的开关控制时序、A/D变换时序、各模块之间的通讯协议，并同时使用FPGA内部的双口RAM作为数据缓存。

优选的，所述开关积分前放模块中包括八个相同的前放通道电路，每个前放通道电路分别由一开关积分前放芯片、两个相同的采样保持电路和一差分放大器组成。

优选的，多个所述探测器装置可以通过串行接口级连起来，最后与一个主控模块连接，将数据传送到主控装置，通过以太网接口与通用计算机进行通信和数据传输。

优选的，所述开关积分前放模块可以采用IVC102或ACF2101芯片。

优选的，所述A/D转换模块中的A/D芯片可以是ADS1251、ADS1252、ADS1254或ADS1256等24位A/D芯片。

优选的，所述的主控装置中也具有一时序、控制电路，通过FPGA产生接口通讯时序，接收来自探测器装置的数据、实现数据缓存，并产生同步控制时序。

优选的，在所述接口电路中，控制信号和数据信号采用不同的接口进行数据传输。

优选的，在所述接口电路中，使用RS485进行控制信号的传输，使用LVDS进行数据信号的传输。

优选的，在所述主控装置中采用单片机网络模块RCM3200来进行数据的获取和与通用计算机的通讯。

本发明还提供一种辐射成像数据采集方法，包括如下步骤：

探测器将X射线转换为电流信号；

使用开关积分前放将所述电流信号进行积分前置放大；

在所述开关积分前放模块将所述电流信号积分放大的同时使用差值滤波的方法减小开关电荷的噪声；

将经积分前置放大、滤波后的模拟信号变换为数字信号；

使用FPGA产生多个通道的开关积分前放和A/D的控制时序，同时作为这些通道的数据缓存，接收变换好的数字信号数据，并将其存储；

将数字信号数据传输到主控装置并通过以太网口与上行计算机进行通信和数据传输。

优选的，在探测器信号输入到开关积分前放进行前置放大后，将放大的信号送到两个相同的采样保持电路，分别在探测器信号到来之前和之后进行保持，然后再将这两路信号送到差分放大器去相减，作为前置放大信号进行输出。

本发明具有以下优点：

1.采用开关积分放大器作为探测器的前置放大器，解决了传统阻容反馈前放的反馈电阻噪声、成形电路的弹道亏损的问题；同时，采用差值滤波的方法减小开关积分放大器带来的开关噪声的负面影响，因此，具有测量准确、噪声低的优点。

2.采用24位的A/D进行模数转换，具有精度高、动态范围大的优点。

3.使用FPGA产生前放的开关控制时序、A/D变换时序、各模块之间的通讯协议、并同时使用FPGA内部的双口RAM做数据缓存，具有电路简化、集成度高、可扩展性强的优点。

4.使用RS485差分信号进行控制信号的传输、使用LVDS差分信号进行数据信号的传输，具有抗干扰能力强、数据传输率高的优点。

5.使用单片机网络模块进行数据获取和与计算机通讯，具有通讯协议简单、使用方便的优点。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为探测器装置中前放子电路板工作原理图；

图3为探测器装置中开关积分前放和差值滤波电路结构图；

图4为探测器装置中A/D主电路板工作原理图；

图5为探测器装置中24位A/D电路结构图；

图6为探测器装置中FPGA和接口电路结构图；

图7为主控装置的工作原理图；

图8为主控装置的FPGA和接口电路结构图；

图9为主控装置单片机网络模块RCM3200电路结构图；

图10为本发明的使用框图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出的用于辐射成像的数字化探测器模块及数据获取模块结合附图和实施例说明如下。为方便理解，在以下的表述中，探测器装置又可称为前放-A/D模块，主控装置又被称为主控模块。

参看图1，虚线部分为实现本发明的数字化探测器模块和数据获取模块的电路，包括实现前置放大及模数变换的前放-A/D模块、实现数据获取和控制的主控模块，对应的电路有对探测器信号进行开关积分放大及差值滤波的电路、模数转换电路、数据缓存和控制电路、接口电路、控制及网络传输电路。

前放-A/D模块由前放电路子板和A/D主电路板构成，通过插针实现电气连接。

图2为前放-A/D模块中前放电路子板的工作原理图。如图2所示，一块前放电路子板中包括八个相同的前放通道电路，分别连接到探测器信号的八个输入端和前放信号的八个输出端。每个前放通道电路由一开关积分前放电路、两个相同的采样保持电路和一差分放大器组成。探测器的信号输入到开关积分前放进行前置放大后，送到两个相同的采样保持电路，分别是在探测器信号到来之前和之后进行保持后，再将这两路信号送到差分放大器去相减，从而保留了信号幅度的大小，同时又减去了由于开关积分前放开关过程中带来的有涨落的本底，进而达到减小噪声的目的。

前放电路子板每个前放通道电路的具体实现电路如图3所示。其中开关积分前放芯片可以是IVC102、ACF2101，采样保持芯片可以是LF298或其他模拟开关，在本实施例中，开关积分前放使用的是IVC102，采样保存芯片使用的是LF298。探测器信号IN经过芯片U1(IVC102)放大，输入到芯片U2、U3(LF298)进行采样保持，再送到差分放大器U4(INA133)进行差分放大后成为输出信号OUT输入到A/D主电路板。控制开关前放和采样保存的控制信号RESET、SH0、SH1也由A/D主电路板提供。一块前放电路子板中有八个相同功能的上述前放通道电路。

图4为前放-A/D模块中A/D主电路板的工作原理图，其中的A/D部分、FPGA和接口电路部分的具体实现电路分别如图5和图6所示。在图4中，一个A/D主电路板使用四个四通道的A/D芯片，可以接两个前放电路子板。前放子电路输出的放大成形的信号输入到24位A/D进行模数转换，变换完的数据送到FPGA的A/D数据缓存RAM中进行缓存，再通过接口电路传输出去，FPGA同时还完成开关积分前放、A/D变换等时序控制信号的产生。

图5为A/D主电路板中A/D部分的具体实现电路，其中A/D芯片可以是ADS1251、ADS1252、ADS1254、ADS1256等24位A/D芯片，在本实施例中，使用的是ADS1254，四通道的A/D，可以对来自前放子电路板的四个通道信号进行模数变换。前放子电路板的各通道信号输出OUT分别连接到A/D的输入VO0～VO3，变换完的数据在SCLK0的控制下，由DO_RD信号输出。U2为基准电压源，为A/D芯片提供参考电压。一块A/D主电路板中有四个相同功能的A/D，从而实现十六个信号通道的模数变换，变换好的数据送到FPGA。

A/D主电路板中FPGA和接口电路部分的具体实现电路如图6所示。在本实施例中，FPGA使用的是XC2S50，连接各个A/D的DO_RD信号，接收A/D变换好的数据，并将其存储，实现数据缓存的功能，同时还产生开关前放控制信号RESET、SH0、SH1以及A/D变换时序的控制信号SCLK0等。接口电路由U14(MAX3096)、U15(MAX9112)、U16(MAX9113)构成，分别实现RS485控制信号的接收和LVDS数据信号的输入和输出。其中U14(MAX3096)为RS485接收器，接收从主控模块经电缆传输来的差分控制信号(RS、HS等)，转换成TTL电平，送到FPGA中，控制FPGA产生前放-A/D模块的复位、同步等时序；U16(MAX9113)是LVDS接收器，接收从前一个前放-A/D模块经电缆传输来的差分串行数据信号SDI和相应差分时钟信号SDCLKI，转换成TTL电平，送到FPGA中，并由此得到前一个前放-A/D模块的数据，在FPGA中缓存；U15(MAX9112)是LVDS发送器，将FPGA需要发送的数据信号SDO和相应差分时钟信号SDCLKO转换成LVDS差分信号，通过电缆将数据传送到下一个前放-A/D模块或主控模块。

图7为主控模块的工作原理图，通过接口电路主控模块实现与前放-A/D模块的通讯。通讯时序和控制时序由主控模块中的FPGA产生，并将输入的数据保存在FPGA内部的数据缓存RAM中；FPGA再将数据传送到单片机网络模块RCM3200，并通过以太网最终将数据传送到计算机；另外，FPGA中产生同步控制信号，同步源可以是外同步信号，也可以是内同步信号，同步输出信号用于级连更多的主控模块，实现协同工作。

图8为主控模块中FPGA和接口电路部分的具体实现电路。在本实施例中，FPGA使用的是XC2S50，产生接口通讯时序，接收来自前放-A/D的数据、实现数据缓存，并产生同步控制时序，接口电路由U6(MAX3096)、U7(MAX3032E)、U8(MAX9113)构成，分别实现RS485控制信号的接收和输出以及LVDS数据信号的输入。其中U7(MAX3032E)为RS485发送器，将FPGA产生的对前放-A/D模块的控制信号(RS、HS等)，转换成RS485差分电平传送出去；U8(MAX9113)是LVDS接收器，接收从前放-A/D模块经电缆传输来的差分串行数据信号SDI和相应差分时钟信号SDCLKI，转换成TTL电平，送到FPGA中，并由此得到前放-A/D模块的数据；U6(MAX3096)为RS485接收器，当该主控模块作为从模块时，可以接收主模块的同步信号。由于主控模块和前放-A/D模块之间的控制信号使用RS485差分信号进行传输、数据信号使用LVDS差分信号进行传输，因而具有抗干扰能力强、数据传输率高的特点。

图9为主控模块中单片机网络模块RCM3200接口的具体实现电路，RCM3200的PA、PB、PE等端口与FPGA相连，实现对FPGA的寄存器读写、工作方式的控制、数据的读出等等。

图10为本发明的使用框图。在本实施例中，图10所示为一个M×N×16通道的系统组成框图，总共有M个主控模块，每个主控模块带有N个前放-A/D模块(共16×N个通道)，其中0号主控模块为主模块，其他为从模块，以保证数据的同步。主模块接收外同步信号，并由此产生同步输出，从模块接收主模块的同步输出，从而实现各模块间的数据同步。前放-A/D模块之间通过多芯电缆串行连接，最后一个模块和主控模块相连。所有的主控模块和计算机都通过网线连接的交换机，组成一个局域网，实现数据通讯。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，虽然本实施例表述的是辐射检测技术，但本领域技术人员可以将其应用到其它领域以解决辐射成像数据采集问题，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此本领域技术人员在本实施例的基础上进行的所有相关的扩展和应用都应落入本申请的保护范围。

Claims

1、一种辐射成像数据采集设备，包括探测器装置、主控装置和通用计算机，其特征在于，

所述探测器装置包括：

至少一探测器，用于将X射线转换为电流信号，

至少一开关积分前放模块，用于将所述电流信号进行积分前置放大，

至少一差值滤波模块，用于在所述开关积分前放模块将所述电流信号积分前置放大的同时使用差值滤波模块减小开关电荷的噪声，

至少一A/D转换模块，用于将经开关积分前放模块和差值滤波模块放大、滤波后的模拟信号变换为数字信号，

至少一数据缓存模块，用于存储A/D变换后的数字信号；

所述主控装置通过接口电路与所述探测器装置相连，并且通过以太网接口与通用计算机进行通信和数据传输。

2、如权利要求1所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于所述探测器装置还具有时序、控制电路，使用FPGA产生开关积分前放模块的开关控制时序、A/D变换时序、各模块之间的通讯协议，并同时使用FPGA内部的双口RAM作为数据缓存。

3、如权利要求1所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于：所述开关积分前放模块中包括八个相同的前放通道电路，每个前放通道电路分别由一开关积分前放芯片、两个相同的采样保持电路和一差分放大器组成。

4、如权利要求1至3之一所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于多个所述探测器装置通过串行接口级连起来，最后与一个主控模块连接，将数据传送到主控装置，通过以太网接口与通用计算机进行通信和数据传输。

5、如权利要求4所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于所述开关积分前放模块采用IVC102或ACF2101芯片。

6、如权利要求4所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于所述A/D转换模块中的A/D芯片采用24位A/D芯片。

7、如权利要求4所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于所述A/D转换模块中的A/D芯片是ADS1251、ADS1252、ADS1254或ADS1256。

8、如权利要求4所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于所述的主控装置中也具有一时序、控制电路，通过FPGA产生接口通讯时序，接收来自探测器装置的数据、实现数据缓存，并产生同步控制时序。

9、如权利要求5-8之一所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于：在所述接口电路中，控制信号和数据信号采用不同的接口进行数据传输。

10、如权利要求9所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于：在所述接口电路中，使用RS485进行控制信号的传输，使用LVDS进行数据信号的传输。

11、如权利要求10所述的辐射成像数据采集设备，其特征在于在所述主控装置中采用单片机网络模块来进行数据的获取和与通用计算机的通讯。

12、一种辐射成像数据采集方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

探测器将X射线转换为电流信号；

使用开关积分前放模块将所述电流信号进行积分前置放大；

在所述开关积分前放模块将所述电流信号积分前置放大的同时使用差值滤波的方法减小开关电荷的噪声；

将经积分前置放大、滤波后的模拟信号变换为数字信号；

使用FPGA产生多个通道的开关积分前放模块和A/D的控制时序，同时作为这些通道的数据缓存，接收变换好的数字信号数据，并将其存储；

13、如权利要求12所述的辐射成像数据采集方法，其特征在于在使用开关积分前放模块将所述电流信号进行积分前置放大的步骤中：

在探测器信号输入到开关积分前放模块进行积分前置放大后，将放大的信号送到两个相同的采样保持电路，分别在探测器信号到来之前和之后进行保持，然后再将这两路信号送到差分放大器去相减，作为积分前置放大信号进行输出。

14、如权利要求12或13所述的辐射成像数据采集方法，其特征在于所述开关积分前放模块采用IVC102或ACF2101芯片。

15、如权利要求12或13所述的辐射成像数据采集方法，其特征在于在将经积分前置放大、滤波后的模拟信号变换为数字信号的步骤中，采用24位A/D芯片进行模数转换。