1、重庆大学硕士学位论文高能 X 射线工业 CT 数据采集与传输系统研究硕士研究生：徐利兵指导老师：王 珏 研究员学科、专业：模式识别与智能系统重庆大学自动化学院二 OO 七年四月Master Dissertation of Chongqing UniversityStudy on Data Acquisition and Transmission System in High Energy X-Ray Industrial Computed Tomography SystemMaster Candidate: Xu LibingSupervisor: Prof.Wang JueMajor: Pa
2、ttern Recognition The results show that the data acquisition and transmission system of high energy X-ray industrial CT can work stably and reliably, and it not only fully complete the mission of data acquisition and transition in the CD-650BXR, but also has a successful try to promote the industria
3、l CT to integration and instrumentation. Keywords: Industrial CT, Data Acquisition, Data Transmission, ARM, FPGA重庆大学硕士毕业论文 目录IV目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1 绪 论 .11.1 工业 CT 系统概述 .11.1.1 工业 CT 系统的发展现状 .11.1.2 工业 CT 系统组成 .21.1.3 工业 CT 系统各部分的基本作用 .21.2 嵌入式系统概述 .31.3 论文的背景与意义 .41.4 论文的结构 .52 高能 X 射线工业 CT 数据采集与传输系
4、统总体方案 .62.1 数据采集与传输系统的设计要求 .62.1.1 现场工作环境 .62.2.2 系统性能指标 .62.2 数据采集与传输系统总体设计方案 .72.2.1 数据传输方式的选择 .72.2.2 数据采集与传输系统硬件平台的选择 .112.2.3 数据采集与传输系统软件平台的选择 .132.2.4 射线探测与数据采集传输总体框架 .142.2.5 数据采集与传输系统工作流程 .152.2.6 数据采集与传输系统总体框图 .152.3 本章小结 .163 高能 X 射线工业 CT 数据采集与传输系统硬件设计 .173.1 嵌入式数据采集传输板硬件设计 .173.1.1 JTAG 模
5、块 .173.1.2 串行通讯模块 .183.1.3 以太网模块 .193.1.4 数据采集转接模块 .223.2 系统自测试板硬件设计 .283.3 FPGA 设计的关键技术 .293.4 本章小结 .31重庆大学硕士毕业论文 目录V4 高能 X 射线工业 CT 数据采集与传输系统软件设计 .324.1 嵌入式 Linux 系统软体开发 .324.1.1 嵌入式 Linux 系统运行环境构建 .324.1.2 嵌入式 Linux 设备驱动程序 .364.1.3 嵌入式 Linux 应用程序 .384.2 Socket 网络数据传输软件开发 .394.2.1 TCP 协议的特点 .394.2.
6、2 基于 TCP 协议的数据传输网络编程实现 .404.2.3 上位机 Windows 采集软件开发 .454.3 本章小结 .475 高能 X 射线工业 CT 数据采集与传输系统实验及结果分析 .485.1 ARM 中断响应能力测试实验 .485.1.1 实验方法 .485.1.2 实验结果及分析 .495.2 SMC 读取 FIFO 速度测试实验 .505.2.1 实验条件 .505.2.2 实验方法 .505.2.3 实验结果及分析 .515.3 网络数据传输可靠性与采集数据安全储存能力测试实验 .515.3.1 实验条件 .515.3.2 实验方法 .525.3.3 实验结果及分析 .
7、525.4 数据采集与传输系统抗干扰能力测试实验 .525.4.1 实验环境 .535.4.2 实验方法 .535.4.3 实验结果及分析 .535.5 小结 .546 结论与展望 .55致 谢 .56参考文献 .57附 录 .60重庆大学硕士毕业论文 1 绪论11 绪 论1.1 工业 CT 系统概述1.1.1 工业CT系统的发展现状工业CT，即工业计算机断层扫描成像(Industrial Computerized Tomography, ICT)，是集放射、计算机科学，机械和自动化等多种学科于一体的新型成像技术，其在无损检测(NDT)与无损评价 (NDE)领域得到了广泛的应用。在无损状态下，
8、工业CT能够获得被检断面的二维灰度图像，并以图像的形式清晰、准确、直观地展现被检物体内部的结构特征、装配情况、材料密度、有无缺陷、缺陷的性质、位置及大小。二十世纪七十年代初，世界首台医用X射线CT在英国研制成功并首先用于头部检查。第一张头部CT图像开创了医学诊断的新篇章。其后， CT获得蓬勃发展，并获得广泛应用。受医学CT的启发，二十世纪八十年代初，美国率先将 CT技术引入航天及其它一些制造工业领域，并率先在航天发展计划中提出并实施了用于大型航天装备检测的工业CT系统研究与开发计划。世界上第一台工业 CT系统由美国ARACOR 公司生产，主要用于大型火箭固体发动机的检测 1。经过二十多年的发展
9、，各国的工业CT技术水平都进步很快。美国 ARACOR公司先后开发完成了9MeV、15MeV、40MeV 、60MeV 高能工业CT系统，被测工件的直径已达几米，同时已开发出微焦点高分辨率（25m）工业CT ，双能CT ，并获得20482048，40964096像素的CT图像 23456。1987年以后，美国产出的2MeV、 9MeV、15MeV 工业 CT系统具有CT、DR功能，个别还在9MeV系统上附加了RTR （实时检测）功能 7。英国、德国、加拿大、俄罗斯、日本等近年来也加大了微焦点工业CT、高能直线加速器工业CT的开发力度，并取得了很大的进展 89101112。由于历史原因，加上国外
10、技术封锁和产品出口限制，我国工业 CT 技术的研究开发与应用滞后了约十年。80 年代末 90 年代初，清华大学、重庆大学、中国工程物理研究院、复旦大学以及中科院等单位在国内率先开展理论及应用研究。重庆大学于 1993 年研制成功我国第一台 射线工业 CT 机 XN-1300ICT，并立即投入到航天、航空部门产品的检测。其后，清华大学于 1994 年研制成功第一台微焦点、低能量（160KeV）X 射线工业 CT 系统，中科院高能所也于 1994 年研制出 射线工业 CT 机 ICT-B01 型，东北大学、苏州兰博集团、华北工学院等单位也先后开展了不同能量的工业 CT 系统研究。2004 年至 2
11、005 年期间，重庆大学、清华大学、中国工程物理研究院等单位又先后完成了高能加速器工业 CT 的重庆大学硕士毕业论文 1 绪论2研制，用于火箭发动机等产品的质检。其中，由重庆大学和国内多家单位合作研制的高能加速器工业 CT“CD-650BX 高精度高能大型工业 CT 系统” ，可检测工件直径从几十毫米到 2500 毫米，最大成像像素达到 52165216，并在定量测量精度方面取得了初步成果，尺寸测量精度为 0.03mm，达到了国内国际领先水平，并为多家工业单位的产品提供了检测与测量服务，为产品的改进与设计提供了技术支撑。2005 年重庆大学两项大型工业 CT 系统通过教育部组织的专家组鉴定，鉴
12、定认为“总体技术国内领先、达到国际先进水平，部分技术指标国际领先” 。目前，从总体技术水平、产品种类和成熟度、应用领域等方面综合评价，重庆大学在国内工业 CT 技术及相关技术的研究和开发上整体处于领先地位。1.1.2 工业CT系统组成工业CT系统通常由射线源系统、探测系统、数据采集系统、机械扫描运动系统、控制系统、计算机图像重建与处理系统、图像输出打印与显示设备等部分组成 13，如图1.1 所示。射线源前准直器后准直器探测器计 算 机 图 像 重建 与 处 理 系 统机 械 扫 描系 统控 制 系 统图 像 输 出 打 印显 示数 据采 集 系 统被检物图 1.1 CT 系统结构示意图Fig1
13、.1 the Structure of CT system1.1.3 工业CT系统各部分的基本作用 射线源系统射线源系统由射线源和前准直器组成。其中，射线源产生射线；前准直器则是将由射线源发出的射线处理成所需形状的射线束，如：扇形束等，其扇形束开口张角应约大于所需有效张角，开口高度由断层厚度确定。 探测系统探测系统由探测器、信号处理电路和后准直器组成。探测器是一种换能器，它将透射过被测体的辐射量转换为电模拟信号，并通过放大转换成标准电信号以供给后续的数据采集系统作后处理。后准直器由高密度材料构成，紧位于探测器之前，开有一条窄缝或一排小孔，小孔常称准直孔。其作用为：限制进入探测器的射束有效截面尺
14、寸；与前准直器配合进一步屏蔽散射射线。准直孔尺寸可确定重庆大学硕士毕业论文 1 绪论3断层的层厚，并直接影响断层图像的空间分辨率。 机械扫描运动系统机械扫描运动系统为射线源、探测系统和被测体提供安装载体和空间位置，并为CT机提供所需扫描检测的多自由度、高精度的运动功能。 数据采集系统数据采集系统由模数转换部分、探测数据采集部分、数据传输部分和采集数据储存部分组成。模数转换部分负责将探测系统输出的标准电模拟信号转换为规定电平标准和格式的数字信号；数据采集与传输部分则负责采集模数转换后的数据，并通过缓存和排序打包后，以固定格式从现场传输到计算机图像重建与处理系统；采集数据存储部分负责在计算机图像重
15、建与处理系统的数据安全存储。除模数转换部分之外，数据采集系统的所有内容均为本论文的工作重点。 控制系统控制系统决定了CT系统的控制功能，它不仅实现对扫描检测过程中机械运动的精确定位控制、系统的逻辑控制、时序控制和检测工作流程的顺序控制以及系统各部分协调，还担负系统的安全连锁控制。 计算机图像重建与处理系统计算机图像重建与处理系统是CT设备的核心。必须具有优质和丰富的系统资源，以满足以下几个方面的需要：高速有效的数学运算能力，以满足系统管理、数据校正、图像重建等的大量运算操作；大容量的图像存贮和归档要求，包括随机存贮器、在线存贮器和离线归档存贮器；专用的高质量、高分辨率、高灰度级的图像显示系统；
16、丰富的图像处理、分析及测量软件，提供操作人员强大的分析、评估的辅助支撑技术；友好的用户界面，操作灵活，使用方便。 图像的输出打印与显示设备工业CT的图像一般可选用高质量的激光打印输出设备或高质量的胶片输出设备、视频拷贝输出设备。1.2 嵌入式系统概述嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 14。较之通用的计算机系统，嵌入式系统不仅具有目的性和针对性，能够根据特定的环境进行定制、以最佳的性能满足系统的具体需求，而且易于实现设备的仪器化和集成化，使生产阶段的成本可以根据不同的客户对象进行控制。此外，嵌入式技术还与实时性有着天然的联系。由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、储存、带宽等条件限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软
