CN110557285A - 一种探测器数据采集系统架构及通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种探测器数据采集系统架构及通讯方法，涉及PET数据采集系统探测器级联和数据链路技术领域，系统构架包括多个与数据采集卡并联探测器模块组，每个模块组内的模块首尾串连，每个模块分为主控制器和从控制器；每个模块组的首个模块与数据采集卡和下级模块通讯；每个模块组的其他模块与上级主模块和下级从模块的通讯。通讯方法包括通讯接口自适应切换方法、模块地址设置和消息标识的方法、消息路由转发和处理的方法；每个模块上设有3个外部双向通讯接口；每个控制器对本片内部的其它功能单元提供主机和从机两个虚拟的内部双向通讯接口。可以解决现有探测器数据架构扩展不便、部件管理复杂、替换性差的问题。

Description

一种探测器数据采集系统架构及通讯方法

技术领域

本发明涉及PET数据采集系统探测器级联和数据链路，尤其涉及一种探测器数据采集系统架构及通讯方法。

背景技术

探测器是PET系统的核心部件，探测器的可扩展性、数据链路的灵活性、硬件上的可维护性往往决定整个系统的规模和性能。

现有的探测器架构通常有几种：（1）使用一个中心节点（如DAQ数据采集卡）星形地以并行方式连接探测器模块。（2）各个探测器模块以菊花链方式串联起来与DAQ连接。

架构（1）的并行方式要求每个探测器必须与中心节点有直接互联，优点是各模块直接与中心节点通讯，系统延迟最小，单个模块的故障不影响不会传播下去。缺点是由于探测器通常都有几十个甚至更多模块，数量巨大的连线会对探测器的组装、维护以及稳定性都会产生很大的影响。

架构（2）的串联方式，优点是系统扩展方便，中心节点只需要有一路连接即可。缺点是，中间模块的故障会导致下级模块都会丢失连接，且随着级联的增多，末级模块通讯延时增大，首级模块的数据吞吐量和稳定性成为瓶颈。

每个PET探测器模块中，每个成像像素都有许多信号要与控制器（通常是FPGA）及信号采集、处理电路互连。当一个探测器中像素点非常多时，信号互连需要大量端口，通常每个主控板上需要有多个控制器（每个控制器及附属信号处理电路称为1个控制器）同时工作，各控制器可能需要不同的硬件和固件配置，以便根据本模块在数据链中的相对位置、模块中的各控制器的主从关系，烧写不同的固件。这样所有控制器、模块、DAQ之间的数据流就的管理和维护变得很复杂。

综上，现有技术中主要存在系统扩展性差、模块间可替换性差、固件及物料管理复杂的缺点。

基于此，做出本申请。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种探测器数据采集系统架构及通讯方法，具有架构扩展灵活、模块互替灵活、部件管理方便的特点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种探测器数据采集系统架构，所述系统构架包括多个与数据采集卡并联的探测器模块组，每个模块组内的模块首尾串连，每个模块由主控制器和从控制器组成；每个模块组的首个模块与数据采集卡和下级模块通讯；每个模块组的其他模块与上级主模块和下级从模块通讯。

作为优选，所述探测器模块组和远端的数据采集卡通过高可靠性光纤实现远距离通讯；每个模块组的模块之间通过低成本差分线缆实现本地通讯；一个模块的两个控制器之间通过PCB走线实现数据通讯；两个控制器通过硬件ID线实现主从角色的区分；两个控制器间通讯端口相同，根据ID线分别自动切换为输出和输入的方向，完成控制器双向通信。

一种探测器数据采集系统的通讯方法，包括通讯接口自适应切换方法、模块地址设置和消息标识的方法、消息路由转发和处理的方法；每个模块上设有3个外部双向通讯接口，分别为远程主机接口、本地主机接口、本地从机接口；每个控制器对本主控芯片内部的其它功能单元提供主机和从机两个虚拟的内部双向通讯接口。

作为优选，所述通讯接口自适应切换方法包括：训练通讯链、建立通讯链；接口与通讯部件连接上表示该接口连接状态置位；远程主机接口或本地主机接口置位时，将主模块的收发数据定向到主机虚拟内部接口；本地从机接口置位时，将从模块的收发数据接入到从机虚拟内部接口，完成通讯接口的自动切换。

作为优选，所述模块地址设置和消息标识的方法包括：

设立ID编号，为每个采集单元设立一个独立ID编号，编号由模块分组号、模块序号、模块内的控制器号组成；

模块复位，各个模块的模块分组号和ID编号均默认为非法值；

系统初始化，对每个模块组分别发送包含模块分组号和ID编号的初始化命令包，第一级模块进行接收并设置自身的模块分组号和ID编号，然后将ID编号加1发给下级模块；

下级模块按同样的规律设置自身的模块分组号和ID编号，直到该模块组上所有模块都设置完毕，系统初始化完成，本组内具有相同的模块分组号和依次递增的ID编号；

通讯时，各模块检查下行的数据包中编号值是否与自身的ID编号匹配，如果是则执行命令并返回；如果否则继续下传；

同时在上行数据包中包含了相应的编号信息。

作为优选，主控制器和从控制器均包括消息路由单元、数据采集单元、命令处理中心、消息缓冲和仲裁单元；

所述消息路由转发和处理的方法包括：

下行消息链路处理，通过消息路由单元处理，判断收到的下行数据编号信息；

模块分组号、模块序号、控制器号都符合，消息由主控制器的本地命令处理中心处理；

模块分组号、模块序号符合，控制器号不符，转发到控制器间通信接口，由从控制器的消息路由单元处理；

模块分组号、模块序号不全符合，转发到从机接口上，发送至下一级模块；

上行消息链路处理，通过消息缓冲和仲裁单元进行优先级处理，然后送入主机接口。

作为优选，主控制器的消息缓冲和仲裁单元处理的消息来源包括采集到的数据、消息的响应、板上其它控制器发来的数据、下级模块发来的数据；从控制器的消息缓冲和仲裁单元处理的消息来源包括采集到的数据和消息的响应。

本发明的工作原理：本发明提供了一种探测器数据采集系统架构，将系统中的探测器划分为并联的模块组和串联的模块，每个模块内分2个part。各个模块和part之间分别使用不同通信接口和线缆，以满足part之间、模块之间、模块组与DAQ之间，三种在简易性、低成本、高可靠性方面不同的通信需求。各探测器part根据ID设置线和链路状态自适应地切换数据路由，以达到共享硬件的固件的目的。

本发明能实现如下技术效果：

（1）本发明提出了一种新型的探测器数据采集系统架构和通讯方法，采用高速数据链路将各个探测器模块进行级联，模块个数可随系统需要灵活配置，各模块的控制逻辑共享相同的固件（各模块中各控制器的数据采集和通信链路逻辑使用的固件），模块内的主从控制器使用ID线识别，可根据链路状态自适应切换传输端口，并使用自适应的路由方法进行参数调整，解决了现有探测器数据架构扩展不便、部件管理复杂、替换性差的局限。

（2）采用本发明数据采集系统构架后，各探测器模块使用相同的硬件和固件，因此各模块可灵活地互相替换，摆脱了某些位置模块需要特殊配置的需求。子模块的数量可灵活地增减，不需要改变系统中的其它硬件配置。

因此本发明具有架构扩展灵活、模块互替灵活、部件管理方便的特点。

附图说明

图1为本实施例探测器模块通讯接口的示意图；

图2为本实施例一个探测器模块组的菊花链串连接示意图；

图3为本实施例星形+菊花链数据采集模块结构示意图；

图4为本实施例模块内部的消息路由和处理过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了一个实施例，并结合附图作如下详细说明：

一、数据采集模块的架构

探测器组和远端的DAQ数据采集单元使用高可靠性光纤进行远距离通信。模块之间使用低成本差分线缆进行本地通信。一个模块的2个控制器之间使用PCB走线进行控制芯片间（片间）数据通信。两个控制器使用硬件ID线进行区分主从角色，以决定使用远程数据链路（主控制器）或本地数据链路（从控制器），以及相同通讯端口主发从收、主收从发的切换。比如，接到逻辑0（地电平）的称为控制器0，接到逻辑1（供电电平）的称为控制器1。控制器-0具有3个外部通信线缆接口，控制器-1不需要直接与外部通信，没有引出外部通信线缆接口。控制器-0和控制器-1的片间通讯端口相同，根据ID线分别自动切换为输出和输入的方向，以完成片间双向通信。探测器的通讯相关的架构参图1所示。

二、通讯接口自适应切换的方法

每个模块在物理上具有3个外部双向通信接口，分别是远程主机接口、本地主机接口、本地从机接口。每个控制器对本片内部的其它功能单元提供主机和从机两个虚拟的内部双向通讯接口（图4中的“主机接口”、“从机接口”）。

当系统初始化时，3个接口分别开始通讯链的训练。如果通讯链建立成功，则表明本端口上通讯线缆另一侧有通讯部件连接上，那么将本端口的连接状态置位（标志为1），3个通讯接口的链接状态分别标识在link[2],link[1],link[0]中。

这3个外部通信端口状态中，link[2]和link[1]标识的是本模块与主机的连接，在正常工作情景下，二者必有且只有其一是置位的。即本模块要么直接与远端主机通信，要么与上级主模块通信。对于每个模块，如果link[2]或link[1]状态置位，则将主模块的收发数据定向到主机虚拟内部接口；如果link[0]状态置位，则将从模块的收发数据接入到从机虚拟内部接口。这样就完成了通信端口的自动切换。

三、探测器级联的方法

系统共分S个模块组，每个组中有M个模块。S个模块组以并行方式对等地与中心节点星形连接，以保证低延迟的通信。M个模块以首尾串连方式有主有从地形成菊花链。菊花链中首个模块记为M0，负责与中心节点的通信，并与下级模块M1通信。菊花链中的次级模块（以M1为例），负责与上级主模块M0和下级从模块M2进行通信。数据传输链路的架构如图3所示。

四、模块地址设置和消息标识的方法

每个采集单元都有一个独立ID编号，编号由模块分组（section）、模块序号（module）、模块内的Part号组成，同一组内的模块section号相同，ID不同。当模块复位时，各个模块的组section号和ID号均为默认的非法值。系统初始化时，会对每个组分别发送包含section号和ID的初始化命令包，当M0收到时，设置自己的section和 ID号，并将ID号加1发给下级模块。下级模块按同样的规律设置自己的section和module编号，直到该条菊花链上所有器件都设置完毕，则本组内具有相同的section号和依次递增的ID号。

当系统初始化完毕时，所有模块可使用编号值被唯一地区分。后续进行通信时，各模块会检查下行的数据包中编号值是否与自己的ID匹配，如果是则执行命令并返回；如果否则继续下传。同样，在上行数据包中也包含了相应的编号信息，可以确认数据包的来源。

五、消息路由转发和处理的方法

关于下行消息链路，使用消息路由模块处理。从主机下行接口收到的下行数据被送入此模块，根据消息中的路由信息，将被转发到三条路径上：（1）如果是section, module,part都符合，消息由本地命令处理中心处理，（2）如果section, module符合，part不符，则转发到part间通信接口，（3）如果section, module不全符合，则转发到从机接口上，发到下一级模块。

关于上行消息链路，使用消息缓冲和仲裁模块来进行优先级处理，然后送入主机上行接口。要处理的消息包括4个来源：（1）采集到的数据，（2）消息的响应，（3）板上其它part发来的数据，（4）下级模块发来的数据。各模块的控制器-0实际上有全部4个数据来源，控制器-1实际上只有前2个数据来源。

以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种探测器数据采集系统架构，其特征在于：所述系统构架包括多个与数据采集卡并联的探测器模块组，每个模块组内的模块首尾串连，每个模块由主控制器和从控制器组成；每个模块组的首个模块与数据采集卡和下级模块通讯；每个模块组的其他模块与上级主模块和下级从模块通讯。

2.如权利要求1所示的一种探测器数据采集系统架构，其特征在于：所述探测器模块组和远端的数据采集卡通过高可靠性光纤实现远距离通讯；每个模块组的模块之间通过低成本差分线缆实现本地通讯；一个模块的两个控制器之间通过PCB走线实现控制器间数据通讯；两个控制器通过硬件ID线实现主从角色的区分；两个控制器间通讯端口相同，根据ID线分别自动切换为输出和输入的方向，完成控制器双向通信。

3.一种探测器数据采集系统的通讯方法，其特征在于：包括通讯接口自适应切换方法、模块地址设置和消息标识的方法、消息路由转发和处理的方法；每个模块上设有3个外部双向通讯接口，分别为远程主机接口、本地主机接口、本地从机接口；每个控制器对本片内部的其它功能单元提供主机和从机两个虚拟的内部双向通讯接口。

4.如权利要求3 所述的一种探测器数据采集系统的通讯方法，其特征在于，所述通讯接口自适应切换方法包括：训练通讯链、建立通讯链；接口与通讯部件连接上表示该接口连接状态置位；远程主机接口或本地主机接口置位时，将主模块的收发数据定向到主机虚拟内部接口；本地从机接口置位时，将从模块的收发数据接入到从机虚拟内部接口，完成通讯接口的自动切换。

5.如权利要求3 所述的一种探测器数据采集系统的通讯方法，其特征在于，所述模块地址设置和消息标识的方法包括：

设立ID编号，为每个采集单元设立一个独立ID编号，编号由模块分组号、模块序号、模块内的控制器号组成；

模块复位，各个模块的模块分组号和ID编号均默认为非法值；

系统初始化，对每个模块组分别发送包含模块分组号和ID编号的初始化命令包，第一级模块进行接收并设置自身的模块分组号和ID编号，然后将ID编号加1发给下级模块；

下级模块按同样的规律设置自身的模块分组号和ID编号，直到该模块组上所有模块都设置完毕，系统初始化完成，本组内具有相同的模块分组号和依次递增的ID编号；

通讯时，各模块检查下行的数据包中编号值是否与自身的ID编号匹配，如果是则执行命令并返回；如果否则继续下传；

同时在上行数据包中包含了相应的编号信息。

6.如权利要求3 所述的一种探测器数据采集系统的通讯方法，其特征在于；主控制器和从控制器均包括消息路由单元、数据采集单元、命令处理中心、消息缓冲和仲裁单元；

所述消息路由转发和处理的方法包括：

下行消息链路处理，通过消息路由单元处理，判断收到的下行数据编号信息；

模块分组号、模块序号、控制器号都符合，消息由主控制器的本地命令处理中心处理；

模块分组号、模块序号符合，控制器号不符，转发到控制器间通信接口，由从控制器的消息路由单元处理；

模块分组号、模块序号不全符合，转发到从机接口上，发送至下一级模块；

上行消息链路处理，通过消息缓冲和仲裁单元进行优先级处理，然后送入主机接口。

7.如权利要求6所述的一种探测器数据采集系统的通讯方法，其特征在于；主控制器的消息缓冲和仲裁单元处理的消息来源包括采集到的数据、消息的响应、板上其它控制器发来的数据、下级模块发来的数据；从控制器的消息缓冲和仲裁单元处理的消息来源包括采集到的数据和消息的响应。