基于STM32的數(shù)字化X射線介質(zhì)識別系統(tǒng)的研究

楊剛

摘要：數(shù)字化X射線探測系統(tǒng)是由X射線發(fā)生器，準直器，非晶硅平板探測器，多道分析器，接口電路以及上位機能量譜識別系統(tǒng)構成。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于通過對X射線源加入STM32F103控制電路，實現(xiàn)射線源電壓，電流以及曝光時間的可控，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)境編寫上位機系統(tǒng) ，從而遠程調(diào)控射線發(fā)生的參數(shù)，最大限度地減小對人的輻射危害； 在接受部分 使用非晶硅平板探測器以及數(shù)字化處理芯片使得所處理信號為數(shù)字信號，從而大大地增加了信號的精度以及探測的準確度。

關鍵詞：數(shù)字化X射線；能譜識別；遠程調(diào)控；探測準確度

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0210-01

X射線穿透力強，射線源不用直接接觸介質(zhì)，在三相流體檢測中，對相含率的測量提供了一種方法；在井下砂體識別的應用中，使用X射線砂體識別技術為防砂治沙提供了一種評價依據(jù)。在石油生產(chǎn)開采領域，X射線的應用對提高其產(chǎn)油率，進行油井安全生產(chǎn)的檢測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射線在各個技術領域內(nèi)的有效應用提供了保障。

1 數(shù)字化X射線介質(zhì)識別系統(tǒng)

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

圖1 數(shù)字系統(tǒng)總體框圖

2 信號檢測通信方案設計

探測信號后期的檢測與處理這里有兩套方案，基于對硬件精度，速度的要求實時選擇適合自己方案會達到事半功倍的效果。其中方案一如圖2示：主要由前端信號處理電路，峰值檢測，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，通訊模塊以及存儲單元。其中從探測器出來的信號為負脈沖信號需經(jīng)過前端處理電路進行信號的濾波與放大在經(jīng)過峰值保持與峰值檢測電路由高速AD進行峰值信號的采集，送至STM32和FPGA組成的控制與運算單元進行信號的處理與轉(zhuǎn)換再經(jīng)由通訊模塊通信輸送至上位機顯示。高速AD采集到的峰值信號經(jīng)FPGA分道采集按照其道址進行數(shù)據(jù)采集，然后再經(jīng)由STM32處理經(jīng)過網(wǎng)口送至上位機軟件進行顯示并進行數(shù)據(jù)存儲。其中關鍵環(huán)節(jié)問題為FPGA和STM32之間的通信，主要通過FSMC接口可以實現(xiàn)，把FPGA當做SRAM，用FSMC的A模式來進行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SMC（Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器）是STM32系列中內(nèi)部集成256 KB以上FlaSh，后綴為xC、xD和xE的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。之所以稱為“可變”，是由于通過對特殊功能寄存器的設置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設計對存儲容量、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的變化和相互獨立的讀寫時序。本系統(tǒng)應用到的正是模式A的SRAM功能，進行相互之間的通信。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用領域；而其特殊的可變靜態(tài)存儲技術FSMC具有高度的靈活性，對于存儲容量要求較高的嵌入式系統(tǒng)設計，能夠在不增加外部分立器件的情況下，擴展多種不同類型和容量的存儲芯片，降低了系統(tǒng)設計的復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 信號處理與通信框圖

（下轉(zhuǎn)第212頁）

（上接第210頁）

3 上位機軟件的設計

在labVIEW串口程序中，主要使用了工具組VISA。使用的各個VI包括VISA串口配置函數(shù)、VISA寫入函數(shù)，VISA讀取函數(shù)，再對串口讀取的數(shù)據(jù)幀按照其中格式分解到各個顯示控件中，對于labVIEW界面對電源設置的參數(shù)及控制命令反向也是如此，界面上的設置配置好的參數(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設計的界面上位機軟件可對X射線發(fā)射源進行遠程可調(diào)控制，縮短曝光時間使輻射量降到最低，達到最優(yōu)化的射線介質(zhì)識別劑量，設置調(diào)節(jié)其參數(shù)，實現(xiàn)對X射線發(fā)射源的遠程控制。

4 總結

前端硬件結構固然重要，但要想取得準確的探測結果，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數(shù)率。同時系統(tǒng)要求道址存在線性關系，以便于能譜刻度定標。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格線性關系。同時為了方便能譜測量成形波形應方便后續(xù)處理及成形參數(shù)調(diào)節(jié)方便。故后續(xù)工作還應繼續(xù)加大對類似于高斯，梯形以及泊松算法等的優(yōu)化論證，選取最合適的算法結構。

參考文獻：

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