CN106959640A - 一种通道式安检设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通道式安检设备，包括一个上位机以及与该上位机进行网络通信和图像数据传输的下位机以及机台外设控制电路；所述下位机通过电源模块供电，信号采集模块包括前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU，机台外设控制电路连接机台控制接口。本发明摒弃了以FPGA作为主芯片架构的传统方案，而采用当前嵌入式开发中最热门的芯片架构cortex‑M4,stm32F427便是基于此架构的一款主频率高达180Mh高性能芯片，因此上位机与下位机软件架构清晰，下位机只构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令，一个用于传输图像数据。

Description

一种通道式安检设备

技术领域

本发明涉及一种通道式安检设备。

背景技术

当前，反恐形势日益严峻，在一些重要的公共场所，如机场，地铁，车站，赛场，重要的会场，物流行业等，各国都不遗余力的投入大量的人力物力来保障人们的生命财产安全。目前作为对包裹类的物品实行比较有效，最经济，最有效率的安检仍属通道式X光检测设备。

目前的通道式X光安检设备使用的技术方案落后，许多器件和材料不易采购，同时没有良好的安装性和维护性，更无法应对市场需求的多样化，功能扩展性多样化，故开发一套既能兼容老方案功能，同时又能满足未来产品扩展要求，易于安装和维护的，性能更加优良的新方案变得十分迫切。

目前同类厂商基本采用FPGA+MCU+USB型的技术方案，其实现基本架构如下：

1.FPGA采集板：使用FPGA内嵌NiosII软核以及使用FPGA的内部逻辑资源构造数字器件来实现对图像数据采集卡的选取操作以及通过内部逻辑资源构造的数字电路对所选取的采集卡中的每个像素逐一选通，使得被选通的像素通道经板上的多级低噪声放大电路进行信号放大后进入ADC芯片，ADC对输入的模拟信号进行采集，量化，编码等操作后变为数字数据。运行在FPGA内部的NIOSII中的程序对ADC编码后的数据进行读取。由于FPGA构造的NIOSII本身难以实现运行TCP/IP 的服务器程序，使得采集的像素数据不得不传送至另一块板---USB传输板.

2.USB 数据传输板：通过网口接收FPGA采集板对每个像素经ADC采样和量化后的12bit编码数据，当收集到完整的一列或多列数据后进行USB协议的数据封包，再通过USB总线把数据传输至上位机。

3.机台控制板：上位机通过串口发送指令至该板，板内MCU接收到指令后，对指令进行解析并根据指令执行相关的机台动作后响应上位机。

目前多数通道式安检设备生产商多采用在FPGA(如：Altera系列 )中内嵌一个或多个NiosII 软核来实现对X光感光sensor的图像数据进行采集，同时通常使用USB作为与上位机进行和控制机器和图像数据传输的通道。另外，利用FPGA中内部的逻辑资源可以方便的构造不同的逻辑器件来实现对图像采集卡端的逻辑控制，如选取某一张采集卡和选中采集卡中某个像素点进行数据采集。这种方案在2000年左右不失为一种绝佳的方案，但随着市场需求的日益增长，此种方案由于是使用NIOS软核作为MCU来实现整机的数据采集和图像传输等重要操作，由于NIOS软核本身速度上的限制，无法满足不断增加采集卡来构造大型或超大型机型的要求，并且使用USB作为数据传输通道，其传输可靠性远不如TCP/IP ，加之，在上位机实现TCP/IP十分容易，但使用USB时，不但要编写USB驱动，还可能随着操作系统的升级，驱动程序也要不断升级，这无疑使得开发和维护都变得繁琐。更致命的是，由于FPGA的配置FLASH加密可靠性较低，存在非常大的被破解危险，这对于知识产权的保护极其不利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种上位机与下位机软件架构清晰，下位机只构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令 ，一个用于传输图像数据，使得上位机重点注重于图像数据的处理以及对下位机发送机台操作命令。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种通道式安检设备，包括一个上位机以及与该上位机进行网络通信和图像数据传输的下位机以及机台外设控制电路，下位机构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令 ，另一个用于传输图像数据；所述下位机通过电源模块供电，下位机上具有一个信号采集模块，该信号采集模块包括前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU，机台外设控制电路连接机台控制接口。

作为优选的技术方案，前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU依次顺序连接。

作为优选的技术方案，所述电源模块通过输入的正负5伏和正12伏的直流电压，产生各单元电路所需要的电压。

作为优选的技术方案，所述采集信号输入接口采用30PIN/2.54mm间距的牛角座，插入由控制采集卡信号及采集信号所构成的汇流排总线，该接口一共有两个，一个为由水平方向形成的采集卡汇流排总线，另一个为垂直方向形成的采集卡汇流排总线。

作为优选的技术方案，所述模拟信号调理电路主要对从采集接口输入的图像像素信号进行低噪声放大，本放大电路分图像高能信号和低能信号一共有两组电路通道，放大后的信号最终输入至ADC的模拟输入端。

作为优选的技术方案，所述ADC信号采集电路由两片AD7655构成，在主控芯片程序的控制下，分别对输入的高能和低能图像介素信号进行采集。

作为优选的技术方案，所述机台外设控制电路包括钥匙模块检测电路、红外传感器控制电路、X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路，主控MCU分别通过GPIO来控制X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路，主控MCU通过轮询检测的方法来检测钥匙的动作，主控MCU通过轮询检测的方法来检测红外传感器的动作。

作为优选的技术方案，所述钥匙模块检测电路、红外传感器控制电路、X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路的输出端分别连接机台控制接口。

作为优选的技术方案，所述主控MCU输出端通过网卡芯片以及RJ45接口与上位机连接通讯。

作为优选的技术方案，芯片架构采用cortex-M4, stm32F427，是一款主频率高达180Mh的高性能芯片。

本发明的有益效果是：（1）本发明摒弃了以FPGA作为主芯片架构的传统方案，而采用当前嵌入式开发中最热门的芯片架构cortex-M4, stm32F427便是基于此架构的一款主频率高达180Mh高性能芯片，由于stm32F427是一款基于硬核且集成丰富的外设（如：ADC控制器，SPI总线控制器，IIC总线控制器，USB控制器，TCP／IP网络控制器，RTC，看门狗，众多的定时器，CAN总线控制器，串行总线控制器，丰富的GPIO等等）的高性能通用ASIC，其性能是NIOSII这种软核无法企及的；

（2）本发明架构清晰，性能优于同类的FPGA方案，数据采集ADC采用高速率和高分辨率（16Bit）的专用ADC芯片，更精确的数据使得物质判别更加精确；

（3）本发明在采集卡数量增加时扩展方便，兼容性强；

（4）本发明使用当前主流芯片，采购渠道多，采购成本远低于旧方案；

（5）本发明在应对未来不断变化的市场需求时的扩展容易实现，如前文所述，本方案芯片的外设十分丰富。而旧方案在增加某些功能时可能会影响整个芯片内部的逻辑布局和布线，同时其逻辑资源有限，换更多逻辑资源芯片时价格大大增加；

（6）本发明集成了控制机台的各项操作，如滚筒动作（正转，反转，停止），红外检测，超声波距离传感器，X-ray光源开启/关闭，所通过的包裹数量检测等全部操作。而旧方案则采用额外的一个MCU作为以上动作的控制器，由上位机通过串口实现控制。

（7）本发明使得上位机与下位机软件架构清晰，下位机只构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令 ，一个用于传输图像数据。使得上位机重点注重于图像数据的处理以及对下位机发送机台操作命令，而不似旧方案使用USB总线作为图像数据传输，使用TCP／IP作为机台命令传输通道，使用串口直接对机台进行操作，这大大减轻了上位机的CPU负荷和减化了上位机的程序架构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统方框图；

图2为本发明的电源电路原理图；

图3为本发明的基准电源源电路图；

图4为像素信号放大电路图；

图5为ADC电路图；

图6为图像采集卡选取电路；

图7为采集卡内像素选取电路；

图8为机台各外设接口电路；

图9为输入型MCU电路原理图；

图10为输出型MCU电路原理图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，包括一个上位机以及与该上位机进行网络通信和图像数据传输的下位机以及机台外设控制电路，下位机构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令 ，另一个用于传输图像数据；所述下位机通过电源模块供电，下位机上具有一个信号采集模块，该信号采集模块包括前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU，机台外设控制电路连接机台控制接口。

其中，前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU依次顺序连接，电源模块通过输入的正负5伏和正12伏的直流电压，产生各单元电路所需要的电压。

采集信号输入接口采用30PIN/2.54mm间距的牛角座，插入由控制采集卡信号及采集信号所构成的汇流排总线，该接口一共有两个，一个为由水平方向形成的采集卡汇流排总线，另一个为垂直方向形成的采集卡汇流排总线。

模拟信号调理电路主要对从采集接口输入的图像像素信号进行低噪声放大，本放大电路分图像高能信号和低能信号一共有两组电路通道，放大后的信号最终输入至ADC的模拟输入端。

ADC信号采集电路由两片AD7655构成，在主控芯片程序的控制下，分别对输入的高能和低能图像像素信号进行采集。

机台外设控制电路包括钥匙模块检测电路、红外传感器控制电路、X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路，主控MCU分别通过GPIO来控制X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路，主控MCU通过轮询检测的方法来检测钥匙的动作，主控MCU通过轮询检测的方法来检测红外传感器的动作。

钥匙模块检测电路、红外传感器控制电路、X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路的输出端分别连接机台控制接口，主控MCU输出端通过网卡芯片以及RJ45接口与上位机连接通讯，芯片架构采用cortex-M4, stm32F427，是一款主频率高达180Mh的高性能芯片。

其中，钥匙模块检测电路：MCU通过轮询检测的方法来检测钥匙是否动作。

红外传感器控制电路：MCU通过轮询检测的方法来检测红外传感器的动作。

X光光源控制电路：MCU通过GPIO来控制其开启与关闭。

马达控制电路：MCU通过GPIO控制马达的正转，反转和停止。

指示灯控制电路：MCU根据当前工作状态，通过GPIO来控制各指示灯的亮灭。

其中，主控MCU的功能：

a)负责整个采集卡的操作以及采集卡上像素点的选取；

b)控制ADC的采集操作，并获取由ADC转换后的像素数据；

c)通过MCU内部的网络控制器对网络的MAC层芯片DP83848进行控制，以实现网络通信；

d)控制机台中的各功能部件，如机台的钥匙开关，红外线传感器，超声波传感器，马达的动作，报警蜂鸣器，X-ray光源的开启与关闭等；

e)机台上的各报警和指示灯的控制；

f)与上位机进行网络通信和图像数据传输。

如图2所示，J3座输入的+/-5V, 12V电压。U20是一个降压型三端稳压器，输入+5V，输出供MCU及其它电路所使用的3.3V。其中，+/-5V主要供给图像像素模拟信号的低噪声放大电路。+12V为控制机台各功能外设的电压。

如图3所示，本电路主要由输入的+5V产生一个2.5V的电压源（VREF），此电压源供给AD7655作为转换参考电压。

如图4所示， H1，H2为差分输入信号，该信号为采集卡中的某个像素的原始电压值，经过三级运放的放大后输出至ADC的输入端。（图中的“ADC0”网络连接至ADC的输入端）。

如图5所示，该电路为采集图像像素信号中的高能信号ADC电路，本方案还有一路低能ADC电路，由于电路架构与图5一模一样，故不在列出。本电路为ADC采集电路，ADC芯片采用AD7655（双通道16bit），通过AD7655的模拟输入脚（PIN46和PIN39）输入经过低噪声放大后的像素模拟信号。

其工作原理大致如下：

MCU选定待采集的ADC输入通道（有A和B两个输入通道，即PIN46和PIN39），然后通过拉低芯片的PIN35实现ADC转换，MCU通过PIN29和PIN30的电平高低来判断转换是否完成，如果转换未完成则等待，转换结束后由MCU通过图中的D0-D15数据口进行数据读取。

如图6所示，主控MCU（STM32F427）通过GPIO（PF0-PF5）实现对采集卡的逐一选择，选中相应的卡后再通过MCU的GPIO切换该卡上的从第1个像素至第32个像素输入至低噪声放大电路。其中74HC245的作用为增强GPIO的驱动能力（由于采集卡的汇流排线较长，有较大的信号衰减）。

如图7所示，主控MCU（STM32F427）通过GPIO（PE1-PE8）实现对所选中的采集卡内的像素点的从第1个像素至第32个像素输入至低噪声放大电路。

如图8所示，接口电路物理上使用25芯的并口（母型）作为物理接口，其上的信号电平为+12V，该信号并未直接与MCU的GPIO口连接，因为MCU上的GPIO电平采用3.3V的CMOS电平。为了达到二者可连接的目的，在二者间加入了相关的电平转换电路，本方案中电平转换电路有两种，以MCU端来看，有输入型和输出型两种，如图9和图10。

本发明的有益效果是：（1）本发明摒弃了以FPGA作为主芯片架构的传统方案，而采用当前嵌入式开发中最热门的芯片架构cortex-M4, stm32F427便是基于此架构的一款主频率高达180Mh高性能芯片，由于stm32F427是一款基于硬核且集成丰富的外设（如：ADC控制器，SPI总线控制器，IIC总线控制器，USB控制器，TCP／IP网络控制器，RTC，看顾门狗，众多的定时器，CAN总线控制器，串行总线控制器，丰富的GPIO等等）的高性能通用ASIC，其性能是NIOSII这种软核无法企及的；

（2）本发明架构清晰，性能优于同类的FPGA方案，数据采集ADC采用高速率和高分辩率（16Bit）的专用ADC芯片，更精确的数据使得物质判别更加精确；

（3）本发明在采集卡数量增加时扩展方便，兼容性强；

（4）本发明使用当前主流芯片，采购渠道多，采购成本远低于旧方案；

（5）本发明在应对未来不断变化的市场需求时的扩展容易实现，如前文所述，本方案芯片的外设十分丰富。而旧方案在增加某些功能时可能会影响整个芯片内部的逻辑布局和布线，同时其逻辑资源有限，换更多逻辑资源芯片时价格大大增加；

（6）本发明集成了控制机台的各项操作，如滚筒动作（正转，反转，停止），红外检测，超声波距离传感器，X-ray光源开启/关闭，所通过的包裹数量检测等全部操作。而旧方案则采用额外的一个MCU作为以上动作的控制器，由上位机通过串口实现控制。

（7）本发明使得上位机与下位机软件架构清晰，下位机只构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令 ，一个用于传输图像数据。使得上位机重点注重于图像数据的处理以及对下位机发送机台操作命令，而不似旧方案使用USB总线作为图像数据传输，使用TCP／IP作为机台命令传输通道，使用串口直接对机台进行操作，这大大减轻了上位机的CPU负荷和减化了上位机的程序架构。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种通道式安检设备，其特征在于：包括一个上位机以及与该上位机进行网络通信和图像数据传输的下位机以及机台外设控制电路，下位机构筑了两个TCP/IP服务器，一个用于接收上位机的控制指令 ，另一个用于传输图像数据；所述下位机通过电源模块供电，下位机上具有一个信号采集模块，该信号采集模块包括前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU，机台外设控制电路连接机台控制接口。

2.如权利要求1所述的通道式安检设备，其特征在于：前端采集卡阵列、采集信号输入接口、模拟信号调理电路、ADC信号采集电路以及主控MCU依次顺序连接。

3.如权利要求1或2所述的通道式安检设备，其特征在于：所述电源模块通过输入的正负5伏和正12伏的直流电压，产生各单元电路所需要的电压。

4.如权利要求1或2所述的通道式安检设备，其特征在于：所述采集信号输入接口采用30PIN/2.54mm间距的牛角座，插入由控制采集卡信号及采集信号所构成的汇流排总线，该接口一共有两个，一个为由水平方向形成的采集卡汇流排总线，另一个为垂直方向形成的采集卡汇流排总线。

5.如权利要求1或2所述的通道式安检设备，其特征在于：所述模拟信号调理电路主要对从采集接口输入的图像像素信号进行低噪声放大，本放大电路分图像高能信号和低能信号一共有两组电路通道，放大后的信号最终输入至ADC的模拟输入端。

6.如权利要求1或2所述的通道式安检设备，其特征在于：所述ADC信号采集电路由两片AD7655构成，在主控芯片程序的控制下，分别对输入的高能和低能图像像素信号进行采集。

7.如权利要求1所述的通道式安检设备，其特征在于：所述机台外设控制电路包括钥匙模块检测电路、红外传感器控制电路、X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路，主控MCU分别通过GPIO来控制X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路，主控MCU通过轮询检测的方法来检测钥匙的动作，主控MCU通过轮询检测的方法来检测红外传感器的动作。

8.如权利要求7所述的通道式安检设备，其特征在于：所述钥匙模块检测电路、红外传感器控制电路、X光光源控制电路、马达控制电路以及指示灯控制电路的输出端分别连接机台控制接口。

9.如权利要求1所述的通道式安检设备，其特征在于：所述主控MCU输出端通过网卡芯片以及RJ45接口与上位机连接通讯。

10.如权利要求1所述的通道式安检设备，其特征在于：芯片架构采用cortex-M4,stm32F427，是一款主频率高达180Mh的高性能芯片。