采用FPGA和以太網(wǎng)技術(shù)的X射線安檢設(shè)備控制器設(shè)計(jì)

　　FPGA控制器中TCP/IP協(xié)議的裁剪方案

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，TCP/IP協(xié)議已成為嵌入式互聯(lián)網(wǎng)的主體構(gòu)架。TCP/IP協(xié)議通常被認(rèn)為是一個(gè)四層體系結(jié)構(gòu)，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)控制器的具體要求，對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉?，僅實(shí)現(xiàn)了四個(gè)協(xié)議：ARP(地址解析)、IP(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)、ICMP(控制報(bào)文協(xié)議)、TCP。

TCP是一種面向連接的協(xié)議，它能提供高可靠性服務(wù)。通過使用序列號(hào)和確認(rèn)信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達(dá)接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息，從而實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的通信，為了保障圖像數(shù)據(jù)的可靠性，本控制器采用該協(xié)議。

　　FPGA控制器片內(nèi)邏輯設(shè)計(jì)

　　本文采用VHDL分模塊設(shè)計(jì)了基于FPGA的安檢設(shè)備控制器。FPGA片內(nèi)邏輯設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

　　圖3 FPGA片內(nèi)邏輯設(shè)計(jì)框圖

　　數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)解析模塊

　　圖3中，數(shù)據(jù)接收模塊實(shí)現(xiàn)CS8900A與FPGA內(nèi)數(shù)據(jù)解析模塊的鏈接。當(dāng)控制模塊產(chǎn)生確認(rèn)接收數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)接收模塊將CS8900A接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出，然后將其寫入數(shù)據(jù)解析模塊。數(shù)據(jù)解析模塊實(shí)際上是將上述TCP/IP裁剪協(xié)議硬件化，主要用于解析來(lái)自數(shù)據(jù)接收模塊的數(shù)據(jù)，將解析的數(shù)據(jù)與預(yù)存于FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)表對(duì)照。若解析的結(jié)果是指令和外設(shè)參數(shù)，將其分別寫入控制模塊和外設(shè)參數(shù)配置模塊，否則將其丟棄。

　　控制模塊

　　控制模塊是FPGA控制器的核心模塊，主要用于接收檢測(cè)信號(hào)后觸發(fā)X射線源、探測(cè)卡;接收ADC的EOC端信號(hào)后對(duì)圖像數(shù)據(jù)接收模塊產(chǎn)生采集數(shù)據(jù)信號(hào);接收CS8900A中斷信號(hào)后對(duì)數(shù)據(jù)接收模塊產(chǎn)生接收網(wǎng)卡緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)信號(hào);據(jù)解析模塊所處理的指令，相應(yīng)地有如下響應(yīng)：產(chǎn)生外設(shè)參數(shù)配置信號(hào)、產(chǎn)生控制傳送帶運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

　　外設(shè)初始化和參數(shù)配置模塊

　　外設(shè)初始化模塊在系統(tǒng)上電時(shí)，對(duì)控制器外設(shè)發(fā)送初始化信號(hào)，然后檢測(cè)控制模塊對(duì)其是否發(fā)送指令，若有指令，則重新初始化外設(shè)。外設(shè)參數(shù)配置模塊用于對(duì)外設(shè)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，當(dāng)控制模塊對(duì)其產(chǎn)生參數(shù)配置信號(hào)時(shí)，該模塊將參數(shù)寫入初始化模塊，

　　圖像數(shù)據(jù)接收、處理及發(fā)送模塊

　　圖像數(shù)據(jù)接收模塊實(shí)現(xiàn)ADC與控制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊鏈接。當(dāng)控制模塊產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)采集信號(hào)時(shí)，接收模塊給X射線線性陣列探測(cè)卡發(fā)送啟動(dòng)采集信號(hào)，然后將ADC圖像數(shù)據(jù)寫入處理模塊。處理模塊針對(duì)內(nèi)置幾何校正、灰度變換、偽彩色等多種清晰度增強(qiáng)算法，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，將圖像對(duì)比度和清晰度進(jìn)行增強(qiáng)。發(fā)送模塊對(duì)處理模塊處理好的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行IP封裝，然后將其寫入CS8900A發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，啟動(dòng)網(wǎng)卡，將此數(shù)據(jù)發(fā)送到所連接的網(wǎng)絡(luò)上。

　　實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

　　由于VHDL是并發(fā)程序，所以要把順序執(zhí)行的思想轉(zhuǎn)化為并發(fā)設(shè)計(jì)思想。本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的ISE8.1在Virtex- xc2v6000芯片上實(shí)現(xiàn)了控制功能，在Modelsim SE6.1b中進(jìn)行了仿真。由仿真結(jié)果得出，控制信號(hào)時(shí)序正確，符合控制要求。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文在分析X射線安檢設(shè)備部分組成器件工作原理及控制要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了FPGA內(nèi)部邏輯，給出了控制器的工作流程，驗(yàn)證了控制信號(hào)時(shí)序的正確性。預(yù)計(jì)此種控制器可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景。