基于PCI1716的CBS系统数据采集与处理方案的设计

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x射线数字辐射成像技术结合 x射线探测技术和计算机技术在无损状态下获得被检测物 的辐射投影图像。该技术已广泛应用于无损检测及安检等领域。其中透射式成像技术应用已经比较成熟，能准确提取被检物的等效原子系数来得到投影方向的二维密度信息。x射线康普顿背向散射 (CBS)成像技术通过测量康普顿散射光子的强度得到被测物体内三维空间中某点的电子密度信息。背散技术除了具有辐射剂量低特点外，它对低原子系数的物质很敏感，特别适合对毒品、爆炸物等物品的探测，能够在反恐、禁毒和安检等领域发挥重要作用。为此我们开发 出了-套 x射线背散射 (CBS)违禁 品检查系统，主用来检查个人携带的行李物品。

在 CB8系统工作过程中，对待检物品逐扫描的同时，需要进行数据的采集、传输、处理和实时成像显示，即边扫描边成像显示。与-般实时数据采集系统相比，本数据采集与处理系统的特点主要有：数据的实时采集、传输、部分数据处理、成像显示和刷新是同步进行的；数据采集与处理基于 Windows非实时操作系统。

CBS系统数据采集的这些特殊性，给设计-个高效可靠的数据采集与处理系统带来了难度。目前普遍采用的方法是设计专用的数据采集硬件，但该方法也存在着-些不足，为此系统中采用了另外-种数据实时采集与处理的方收稿日期：2012-07-30；修订日期：2012-10-17基金项目：公安部应用创新基金项 目 (2010YYCXGASS106)作者简介：刘伟豪 (1971-)，男，湖北黄冈人，硕士，副研究员，研究方向为计算机应用技术、图像处理；陈嘉敏 (1972-)，男，上海人，副研究员，研究方向为通信工程、电子学；沈天明 (1981-)，男，上海人，硕士，助理研究员，研究方向为x射线辐射成像；尤晓明(1964-)，男，江苏靖江人，研究员，研究方向为禁毒准备技术研究。E-mail：1weihao###sohu.com第34卷 第6期 刘伟豪，陈嘉敏，沈天明，等：基于Pa1716的a 系统教据采集与处理方案的设计 ·2241·法，在硬件上不用开发专用的采集卡，而是使用通用数据采集卡，并结合-些软件技术，实现CBS安检系统的实时数据采集和处理。与其它高速数据采集设计方法相比，本方案具有开发周期短、可靠性高、成本低、通用性高和扩展性强等优点。

1 系统总体结构与分析1.1 系统总体结构x射线背向散射成像违禁品检查系统的基本构造主要包括 x射线背散射探测拈、传送带机构、模拟信号处理电路、系统控制拈、计算机信号采集与处理以及成像显示等部分组成。其模型如图1所示。

图1 X射线 CBS违禁品探测系统模型X射线周期性扫描被检查物体，被检物在传送带上沿垂直于x射线束扫描方向平移，探测器同步测量各部位产生背散射线的强度 ，并将测得信号按时序排列，经后端核电子学电路处理后输出给数据采集卡，经过A/D转换后将数字化的数据传送到计算机，进行-系列处理后就可得到被检物的二维背散射数字图像 。计算机主要功能是负责数据的传输、处理、成像显示和系统控制等工作 。

1.2 系统对数据采集的要求系统在工作过程中对物体扫描的同时采集背散射信号，在完成-定行的扫描后，实时地将采集的背散信号作必要处理后成像显示在屏幕上。系统对数据采集有以下要求：(1)每行数据扫描间隔为 10ms，每个扫描行采样 2048个数据点，数据采样率为 200KHZ(2)行数据的采样必须与行 同步信号在时序上严格 同步，同步信号之后开始数据采样，下-个同步信号之前必须完成本数据行的采样；(3)每完成-行的数据采集后，必须对采样的数据进行必要的处理并实时成像显示，数据采样和处理、成像显示是同时进行的。

由此可见系统对数据采样的实时性要求较高，特别是要做到在 Windows环境下实现同步数据采样、处理和显示并保证采样数据的完整性和正确性 ，对数据采集与处理的设计提出了很高的要求。

1.3 系统数据采集的设计方式目前对于类似于 CBS这类设备的数据采集 与处理有多种设计方式。文献 [1]中采用 PC FPGA的系统架构，利用FPGA进行数据采集，数据通过串口传输到 PC。文献[2-4]中则是采用 ARMFPGA的方式，FPGA实现系统数据采集。文献 [5]中采用基于PCI总线方式，利用 PCI专用控制芯片$5933和CPLD电路实现了工业 CT多通道数据采集与传输。

上述数据采集方案优点是可以根据功能需要进行定制，可将某些数据处理的功能在电路中完成，简化数据采集和处理的软件设计，系统实时性好。但开发周期长，通用性不强、成本较高，特别是在电路的设计与调试、底层驱动程序的编写与调试等方面要耗费较多的人力物力，而且可靠性上需要经过长期检验。

为此在 CBS安检系统的数据采集和处理的设计中采用了另外-种方式 ：Windows系统下通用数据采集卡PC机形式。该方式开发周期短、成本低、扩展性强、可靠性高。

但由于数据的处理成像需由应用程序完成 ，会增加系统软件设计的复杂度。

具体实现中选用 Advantech(研华)公司高速数据采集卡 PCI-1716，该采集卡有 16个通道模拟量输入，采样速率可达 250KS/s，采样分辨率 16bits。支持 3种触发方式进行A/D转换：软件触发、内部定时触发、外部触发。支持 32位 PCI总线控制的DMA数据传输。每个通道均内嵌 2KFIFO高速同步缓存，可实现更快速的数据转换。

2 系统数据采集与处理方案的设计数据的高速实时采集对数据采集卡有很高的要求，但仅有高性能的硬件还远远不够，必须设计高效合理的数据采集硬件和软件实施方案。首先要从硬件上保证数据采样的连续性和完整性；而采集卡实时采集的数据如不能及时取走也会造成数据丢失，必须有高效的软件措施尽量避免采样数据的丢失。因此要达到系统对数据采集的要求需要从两个方面人手 ：数据采集硬件措施和软件实施方案。

x射线 CBS系统中的模拟信号处理拈接收背散信号探测器的信号 ，经处理后进入 PCI1716的 A/D转换器进行高速模数转换。转换数据首先暂存在板载 2K字节的 FIFO中。当FIFO半满或全满时，向 DMA控制器发送 DMA请求，使用直接内存存取方式经 PCI总线将数据从 FIFO传送到采样缓冲区。

采样缓冲区和传输缓冲区是用户程序分配给驱动程序使用的内存区。采样缓存存放的是从 FIFO传来的原始值，传输缓存存放经转换后的电压值。PCI-1716的循环方式可进行长时间高速数据采集，-次采样过程能进行多次的A/D转换。内部缓存分为前后相等的两个半区使用。

2.1 常规的数据采集方案结合系统对数据采样的要求和数据采集卡的特点，常规的据采集方案 (开发过程 中采用 的第-个方案)如下：第34卷 第6期 刘伟豪，陈嘉敏，沈天明，等：基于PCI1716的a3s系统数据采集与处理方案的设计 .2243。

第n个同步信号Jn第n1个同步信号r1Jr]f I T rI 采样M个数据t J t 2图 5 常规数据采集方案的采样时序的不确定不能保证-个行同步信号周期内完成-行数据采样 ，使得下个同步信号的采样被忽略，造成采样数据行丢失。严重的数据行丢失会造成扫描图像的显著失真，影响图像的后续处理。如图 8中两幅图像为同-物体在相同扫描速度下的成像图，由于存在不确定性的扫描行丢失，结果在数据行丢失严重时物体成像宽度明显偏校同时 ，r1J的不确定也使物体成像边缘不齐，形成 毛边”现象。

2.2 改进的数据采集硬件实施方案针对常规的数据采集方案的缺陷，新的数据采集方案的设计设法从硬件上保证不会发生数据丢行和错位的情况。

关键问题在于确保同步信号开始到采样启动的时间间隔 rI固定不变。因此需摒弃同步信号后采样软件复位的方式。

为此结合数据采集卡PCI-1716的特性，设计了如下方案：触发方式：定时触发 (pacer触 发)；A/D转换时钟：由内部时钟改为外部时钟；触发源：由外部触发改为内部触发；采样方式：由非循环采样改为循环采样；在内部定时触发 (Pacer触发)方式下 ，内部时钟无法保证与外部信号严格同步，因此A/D转换时钟改为外部输入时钟，通过同步信号控制外部输入时钟来实现行同步信号与数据采样的同步。这些功能由 PLD电路实现 ，PLD模块在每个行同步信号输入后才输出时钟脉冲，脉冲数等于每行采样的数据量。在循环采样方式下，只要有外部时钟信号输入采样就不会停止。下-同步信号行的采样不需要对采集卡软件复位，只要有时钟信号即可继续进行数据采样。

行同步信号后产生的时钟脉冲完全由硬件电路控制 ，使得 TjJ和Tc可以根据需要固定下来。这样从硬件上保证了在下-个同步信号来临之前完成当前行的数据采样，不会造成采样行数据的丢失。新数据采集方案时序图如图6所示。

具体实施中通过行同步信号来控制数据采集的启动和停止。当行同步信号停止触发 PLD拈产生时钟脉冲时，采集卡也就处于停止状态 (如图中 时刻)。只有使行同步信号触发出时钟脉冲时 (如图中t 和 tz时刻)，采集卡才开始采样。

上述改进的数据采集方案从硬件上保证了数据采样的完整性和正确性，但仅有硬件上的保证还不能避免数据丢行和错位问题的发生。因为在连续高速的数据采集系统中行同步信号2048个时钟脉冲 2048个时钟脉、 II]时钟 栅 无时制 辫懋皿堋 脉冲I .I采样2048 l I个f4数2据o4 不采 数据采样时序 个数据图6 改进的数据采样时序 图采集卡只负责把采集的数据输送到采样缓冲区中，此时还需软件将采样缓冲区中的数据及时取走，否则新的采样数据会覆盖原来的数据 ，同样会造成数据丢失。如图 7所示，A/D转换数据送入数据缓冲区之后 ，CPU将其中的数据通过 PCI总线传输到内存 buffer中，此过程中若 CPU从数据缓冲区中取数据速度慢于采样速度 ，数据覆盖 (Overrun)的问题就发生了。因此数据采集的软件设计同样至关重要。

模拟信号口H 缸澡图7 PCI-1716数据采集结构2.3 数据采集软件设计的关键技术研究软件设计中-个关键问题是如何防止数据的丢失，数据丢失-般是由数据处理及显示与数据采集之间的矛盾引起的，因为Windows是-个多任务的非实时操作系统，数据处理和成像显示必然会对实时数据采集产生-定的时延作用，造成数据丢失。因为Windows系统线程切换的时间典型值约为 20 ms，而本系统每行数据采样间隔是 10 ms，因此有可能在采样过程中发生线程切换而使得采样数据不能及时取走造成数据丢失。

为实现高效的数据采样软件实施方案，需充分利用采集卡提供的功能并结合合理的软件设计提高系统资源利用率，实现数据采样的高效和实时。

(1)数据传输方式的选取数据采集卡进行数据传输主要有 3种方式：软件查询方式：查询寄存器的状态来实现数据传输。中断传输方式：每次A/D转换结束产生-个硬件中断，然后由中断服务程序 (ISR)完成数据传输。DMA数据传输方式：将板卡上的数据不通过CPU直接传输到内存中。

3种方式中软件查询方式速度慢多用于低速数据采集诚，中断传输方式每次中断都要进行中断现场保护和恢复，频繁的中断需要大量的中断开销，也不适合高速连续· 2246· 计算机工程与设计 2013伍2005，20(3)：122-126.]E4]MA Xin，GUO Hong.Design of multi-slice CT data acquisitionsystem and its measurement EJ].Journal of Beling Universityof Aeronautics and Astronautics，2008，34 (7)：794-797 (inChinese).[马鑫，郭宏.多层 CT用数据采集系统的设计与测试 [J]. 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报，2008，34(7)：794-797.]E5]LIU Jinhui.Design of high speed data-sampling software basedon PCI bus for industrial CT [J].Nuclear Electronics 8L De-tection Technology，2007，27(1)：8-10(in Chinese). [刘金汇.基于 PCI总线的工业 CT高速数据采集软件设计 [J]。

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