楊剛

摘要：數(shù)字化X射線探測(cè)系統(tǒng)是由X射線發(fā)生器，準(zhǔn)直器，非晶硅平板探測(cè)器，多道分析器，接口電路以及上位機(jī)能量譜識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過對(duì)X射線源加入STM32F103控制電路，實(shí)現(xiàn)射線源電壓，電流以及曝光時(shí)間的可控，從而依據(jù)待檢物體的情況把X射線的輻射劑量做到最小，而且通過基于LABVIEW環(huán)境編寫上位機(jī)系統(tǒng) ，從而遠(yuǎn)程調(diào)控射線發(fā)生的參數(shù)，最大限度地減小對(duì)人的輻射危害； 在接受部分 使用非晶硅平板探測(cè)器以及數(shù)字化處理芯片使得所處理信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，從而大大地增加了信號(hào)的精度以及探測(cè)的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化X射線；能譜識(shí)別；遠(yuǎn)程調(diào)控；探測(cè)準(zhǔn)確度

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）31-0210-01

X射線穿透力強(qiáng)，射線源不用直接接觸介質(zhì)，在三相流體檢測(cè)中，對(duì)相含率的測(cè)量提供了一種方法；在井下砂體識(shí)別的應(yīng)用中，使用X射線砂體識(shí)別技術(shù)為防砂治沙提供了一種評(píng)價(jià)依據(jù)。在石油生產(chǎn)開采領(lǐng)域，X射線的應(yīng)用對(duì)提高其產(chǎn)油率，進(jìn)行油井安全生產(chǎn)的檢測(cè)具有十分重要的意義。特別是近些年數(shù)字化X射線的發(fā)展更是為X射線在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的有效應(yīng)用提供了保障。

1 數(shù)字化X射線介質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)

X射線的探測(cè)是通過接收射線穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的，本文中使用的X射線探測(cè)器是由閃爍材料和光電轉(zhuǎn)換器件組成的閃爍探測(cè)器，它將探測(cè)到的透射X射線轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號(hào)，信號(hào)的大小代表其強(qiáng)度大小，將此脈沖信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、峰值保持等預(yù)處理后，再使用STM32F103芯片對(duì)其進(jìn)行脈沖幅度分析運(yùn)算并與上位機(jī)進(jìn)行通信，就可得到一條關(guān)于X 射線透射強(qiáng)度的譜線。如圖1所示：

圖1 數(shù)字系統(tǒng)總體框圖

2 信號(hào)檢測(cè)通信方案設(shè)計(jì)

探測(cè)信號(hào)后期的檢測(cè)與處理這里有兩套方案，基于對(duì)硬件精度，速度的要求實(shí)時(shí)選擇適合自己方案會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。其中方案一如圖2示：主要由前端信號(hào)處理電路，峰值檢測(cè)，峰值保持，AD轉(zhuǎn)換，STM32和FPGA組成的數(shù)據(jù)采集與控制模塊，通訊模塊以及存儲(chǔ)單元。其中從探測(cè)器出來的信號(hào)為負(fù)脈沖信號(hào)需經(jīng)過前端處理電路進(jìn)行信號(hào)的濾波與放大在經(jīng)過峰值保持與峰值檢測(cè)電路由高速AD進(jìn)行峰值信號(hào)的采集，送至STM32和FPGA組成的控制與運(yùn)算單元進(jìn)行信號(hào)的處理與轉(zhuǎn)換再經(jīng)由通訊模塊通信輸送至上位機(jī)顯示。高速AD采集到的峰值信號(hào)經(jīng)FPGA分道采集按照其道址進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后再經(jīng)由STM32處理經(jīng)過網(wǎng)口送至上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)問題為FPGA和STM32之間的通信，主要通過FSMC接口可以實(shí)現(xiàn)，把FPGA當(dāng)做SRAM，用FSMC的A模式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SMC（Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）是STM32系列中內(nèi)部集成256 KB以上FlaSh，后綴為xC、xD和xE的高存儲(chǔ)密度微控制器特有的存儲(chǔ)控制機(jī)制。之所以稱為“可變”，是由于通過對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類型以匹配信號(hào)的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類型的靜態(tài)存儲(chǔ)器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。模式A —— SRAM/PSRAM（CRAM） OE翻轉(zhuǎn) 模式A與模式1的區(qū)別是NOE的變化和相互獨(dú)立的讀寫時(shí)序。本系統(tǒng)應(yīng)用到的正是模式A的SRAM功能，進(jìn)行相互之間的通信。STM32作為新一代ARM Cortex-M3核處理器，其卓越的性能和功耗控制能夠適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域；而其特殊的可變靜態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)FSMC具有高度的靈活性，對(duì)于存儲(chǔ)容量要求較高的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠在不增加外部分立器件的情況下，擴(kuò)展多種不同類型和容量的存儲(chǔ)芯片，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 信號(hào)處理與通信框圖

（下轉(zhuǎn)第212頁）

（上接第210頁）

3 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

在labVIEW串口程序中，主要使用了工具組VISA。使用的各個(gè)VI包括VISA串口配置函數(shù)、VISA寫入函數(shù)，VISA讀取函數(shù)，再對(duì)串口讀取的數(shù)據(jù)幀按照其中格式分解到各個(gè)顯示控件中，對(duì)于labVIEW界面對(duì)電源設(shè)置的參數(shù)及控制命令反向也是如此，界面上的設(shè)置配置好的參數(shù)，按照幀格式組幀，通過串口發(fā)送命令發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)過labVIEW設(shè)計(jì)的界面上位機(jī)軟件可對(duì)X射線發(fā)射源進(jìn)行遠(yuǎn)程可調(diào)控制，縮短曝光時(shí)間使輻射量降到最低，達(dá)到最優(yōu)化的射線介質(zhì)識(shí)別劑量，設(shè)置調(diào)節(jié)其參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線發(fā)射源的遠(yuǎn)程控制。

4 總結(jié)

前端硬件結(jié)構(gòu)固然重要，但要想取得準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果，后期的軟件算法尤為重要.算法的優(yōu)劣很大程度上影響能譜分辨率和計(jì)數(shù)率。同時(shí)系統(tǒng)要求道址存在線性關(guān)系，以便于能譜刻度定標(biāo)。為了保證能譜分辨率需要盡可能高的信噪比、穩(wěn)定的基線；為了提高能譜的計(jì)數(shù)率需要減少脈沖堆積，減少脈沖堆積即減小成形脈沖寬度；為了保證線性度要求輸入和輸出幅度保持嚴(yán)格線性關(guān)系。同時(shí)為了方便能譜測(cè)量成形波形應(yīng)方便后續(xù)處理及成形參數(shù)調(diào)節(jié)方便。故后續(xù)工作還應(yīng)繼續(xù)加大對(duì)類似于高斯，梯形以及泊松算法等的優(yōu)化論證，選取最合適的算法結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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