工业CT数据采集系统

ICT ( Industrial Computered Tomography)技术即工业计算机层析照相或称工业计算机断层扫描成像[1],作为一类先进的无损检测技术,在工业生产中的应用越来越广泛。按射线源CT机可分为γ射线机和X射线机,本系统针对X射线CT机而设计,其原理是用闪烁体将射线转换成光信号,用光电二极管将光信号转化为电流信号,再将电流信号转换为数字信号。

在实际应用中,人们发现在光信号比较弱的情况下,光信号的采集与实时传输是一件很困难的事情,各种光电检测电路是实现光电变换的重要环节[2]。由于闪烁体转换出来的光信号非常微弱,如何采集如此微弱的信号是整个系统成功与否的一个关键问题。

1　系统结构

方案总体结构如图1所示。从结构框图中我们可以看出,工业CT机采集系统部分主要由信号探测转换控制和数据采集卡两部分组成。信号探测转换控制部分的功能是将数百通道与射线对应的模拟光电流信号转换为适宜于远距离传输的差分数字信号,采集卡的功能是接收转换探测模块传输来的信号向上位机传送。

1·1　探测转换控制模块[3]

本文介绍的系统包含多个探测转换控制模块,各模块之间级连而成,可在一定范围内任意扩展系统的通道数量,由于特殊需要该部分电路功能是实现512通道以上的弱光电信号在某一时刻同时采集转换和控制,主要由四部分构成:

(1)信号探测模块:由闪烁体和光电二级管构成,闪烁体将射线转化为微弱的可见光,再由光电二级管将闪烁体输出的可见光转化为电流信号[4]。由于光信号微弱,转换出来的电流信号非常小,通常在10-13-10-9A数量级,这对电流检测提出了较高的要求。

(2)信号转换电路:主要功能是实现信号积分放大和A/D转换,其原理是将电流信号积分放大变成电压信号,然后通过A/D转换器将电压信号转换成20位数字信号。要求精度高,信噪比高,积分电容可以选择,积分时间可调,集成度高。

(3)FPGA:主要作用是接受上位计算机的控制命令,可在线设定系统参数(如放大倍数等);控制信号转换电路时序;从信号转换电路中读取数据;将各模块的数据打包、上传。

(4)光电隔离数据转换:该部分由光电隔离芯片和差分驱动/接收器构成。工业CT机运作时,由于射线对人体的危害较大,为保证安全,上位机控制室与CT机的距离较远。针对于远距离传输中的各类干扰,为确保数据的可靠性,我们选用了以抗干扰能力强的差分信号进行数据传输。

1·2　数据采集卡

PCI总线被广泛应用于个人计算机中,已成为个人计算机事实上的标准总线。PCI总线是一种高性能的32 b/ 64 b地址数据复用总线,总线时钟频率为0~ 33 MHz ,可以支持猝发传输,最高传输速率可达132 MB/ s ,同时可支持多组外围设备;另外,PCI总线是一种独立于处理器的同步总线,不依赖于任何CPU ,因而具有较好的兼容性[5]。由于PCI总线的上述特点及工业CT中大容量数据传输和存储问题的需要,在本设计中选用了FPGA+AM-CCS5335接口芯片进行PCI数据采集卡设计。数据采集卡中包含光电隔离数据转换部分,该部分的功能主要是实现对差分数据进行转换、滤波,以确保为FPGA提供干净可靠的数据信号。