XRAY項目笔(bǐ)記(jì)

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一(yī)、項目背景

二(èr)、硬(yìng)件(jiàn)原理

2.1碲鋅镉（CZT）探测器碲鋅镉晶體(tǐ)
是(shì)一(yī)種(zhǒng)性(xìng)能(néng)优良的(de)核輻射探测器材料，对(duì)X、γ射線(xiàn)有(yǒu)很高(gāo)的(de)探测效率和(hé)很好(hǎo)的(de)能(néng)量(liàng)分(fēn)辨率，而(ér)且可(kě)以(yǐ)在(zài)室(shì)温(wēn)下(xià)工作。对(duì)于(yú)碲鋅镉核輻射探测器。當X、γ射線(xiàn)等高(gāo)能(néng)粒(lì)子射線(xiàn)打(dǎ)入(rù)探测器的(de)介質(zhì)晶體(tǐ)时(shí)，射線(xiàn)粒(lì)子会(huì)與(yǔ)介質(zhì)晶體(tǐ)中(zhōng)的(de)原子産生(shēng)能(néng)量(liàng)交換，使射線(xiàn)很快(kuài)損失掉一(yī)部(bù)分(fēn)能(néng)量(liàng)，这(zhè)部(bù)分(fēn)能(néng)量(liàng)被(bèi)晶體(tǐ)中(zhōng)的(de)原子所(suǒ)吸收(shōu)，促使其電(diàn)子從滿带(dài)躍遷到(dào)導带(dài)上(shàng)，從而(ér)在(zài)導带(dài)産生(shēng)電(diàn)子，在(zài)滿带(dài)剩餘空穴，这(zhè)便形成(chéng)了(le)可(kě)以(yǐ)用(yòng)来(lái)形成(chéng)電(diàn)信(xìn)号(hào)的(de)電(diàn)子-空穴对(duì)。在(zài)介質(zhì)晶體(tǐ)的(de)两(liǎng)端電(diàn)极(jí)上(shàng)加一(yī)高(gāo)壓外(wài)加電(diàn)场，在(zài)高(gāo)壓電(diàn)场作用(yòng)下(xià)介質(zhì)晶體(tǐ)內(nèi)部(bù)的(de)電(diàn)子-空穴对(duì)分(fēn)别向(xiàng)两(liǎng)端電(diàn)极(jí)漂移，電(diàn)信(xìn)号(hào)通(tòng)过(guò)電(diàn)极(jí)被(bèi)收(shōu)集起来(lái)，在(zài)两(liǎng)端電(diàn)极(jí)上(shàng)形成(chéng)微弱(ruò)的(de)感(gǎn)應(yìng)電(diàn)流。當前(qián)，碲鋅镉探测器两(liǎng)个(gè)重(zhòng)要(yào)發(fà)展(zhǎn)方(fāng)向(xiàng)是(shì)：多(duō)块(kuài)大體(tǐ)積并行探测器和(hé)面(miàn)元(yuán)阵(zhèn)列探测器。前(qián)者(zhě)由(yóu)多(duō)块(kuài)體(tǐ)積大于(yú)1cm的(de)碲鋅镉晶體(tǐ)阵(zhèn)列組成(chéng)，这(zhè)類(lèi)探测器解(jiě)決了(le)單个(gè)探测器體(tǐ)積小，總(zǒng)探测效率低的(de)缺點(diǎn)，大大縮短(duǎn)了(le)测量(liàng)时(shí)間(jiān)，尤其适于(yú)便攜式谱儀系(xì)統，可(kě)應(yìng)用(yòng)于(yú)环(huán)境、港口(kǒu)、铁(tiě)路(lù)貨物(wù)等的(de)放(fàng)射性(xìng)監测。後(hòu)者(zhě)是(shì)由(yóu)碲鋅镉晶體(tǐ)面(miàn)元(yuán)阵(zhèn)列組成(chéng)，主(zhǔ)要(yào)應(yìng)用(yòng)于(yú)核醫学、天(tiān)體(tǐ)物(wù)理等領域的(de)能(néng)谱成(chéng)像。本(běn)項目采用(yòng)的(de)是(shì)碲鋅镉晶體(tǐ)面(miàn)元(yuán)阵(zhèn)列作为(wèi)前(qián)端傳感(gǎn)器。

2.2電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器原理

图(tú)1为(wèi)運放(fàng)積分(fēn)放(fàng)大器的(de)電(diàn)路(lù)图(tú)

图(tú)1理想(xiǎng)積分(fēn)放(fàng)大器電(diàn)路(lù)图(tú)

由(yóu)此(cǐ)可(kě)得，運放(fàng)的(de)輸出(chū)電(diàn)壓等于(yú)对(duì)輸入(rù)電(diàn)壓在(zài)时(shí)間(jiān)上(shàng)的(de)積分(fēn)。若輸入(rù)端为(wèi)電(diàn)荷采集裝(zhuāng)置的(de)話(huà)，那(nà)麼(me)運放(fàng)的(de)輸出(chū)與(yǔ)輸入(rù)端的(de)電(diàn)荷量(liàng)成(chéng)正(zhèng)比。两(liǎng)部(bù)分(fēn)組合起来(lái)就(jiù)是(shì)電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器。

2.3AD8488簡介
AD8488是(shì)一(yī)款128通(tòng)道(dào)模拟前(qián)端，为(wèi)高(gāo)性(xìng)能(néng)數字(zì)X射線(xiàn)系(xì)統而(ér)設計(jì)。它(tā)的(de)模拟通(tòng)道(dào)由(yóu)一(yī)个(gè)積分(fēn)器和(hé)增益可(kě)選的(de)單端轉(zhuǎn)低阻抗差分(fēn)輸出(chū)組成(chéng)。該模拟通(tòng)道(dào)将X射線(xiàn)或(huò)光(guāng)電(diàn)二(èr)极(jí)管(guǎn)檢波(bō)器收(shōu)集的(de)電(diàn)荷轉(zhuǎn)換成(chéng)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)。通(tòng)道(dào)由(yóu)CMOS晶體(tǐ)管(guǎn)組成(chéng)，这(zhè)些晶體(tǐ)管(guǎn)采用(yòng)典型高(gāo)輸入(rù)阻抗的(de)CMOS門(mén)。該設備的(de)積分(fēn)器采用(yòng)一(yī)系(xì)列可(kě)選電(diàn)容值，産生(shēng)與(yǔ)電(diàn)荷有(yǒu)關(guān)的(de)電(diàn)壓，可(kě)适應(yìng)廣泛的(de)輸入(rù)電(diàn)荷值。單端輸入(rù)轉(zhuǎn)差分(fēn)輸出(chū)電(diàn)壓放(fàng)大器位于(yú)積分(fēn)器之後(hòu)，在(zài)这(zhè)里(lǐ)偏移和(hé)低頻噪聲電(diàn)壓從輸入(rù)電(diàn)壓中(zhōng)減去(qù)。一(yī)条(tiáo)128:1通(tòng)道(dào)差分(fēn)MUX位于(yú)緩沖器之後(hòu)，驅動(dòng)模拟輸出(chū)緩沖。同(tóng)时(shí)還(huán)提(tí)供開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器和(hé)某些數字(zì)計(jì)时(shí)功能(néng)；这(zhè)些功能(néng)全(quán)部(bù)集成(chéng)在(zài)255引脚BGA基板上(shàng)。全(quán)部(bù)128通(tòng)道(dào)的(de)電(diàn)荷轉(zhuǎn)換是(shì)同(tóng)步進(jìn)行的(de)，之後(hòu)便采用(yòng)7位地(dì)址編碼生(shēng)成(chéng)順序電(diàn)壓輸出(chū)读(dú)數。一(yī)共(gòng)两(liǎng)次(cì)序列，对(duì)全(quán)部(bù)128通(tòng)道(dào)進(jìn)行采樣(yàng)。邏輯控制輸入(rù)CS_A和(hé)CS_B分(fēn)别選擇通(tòng)道(dào)地(dì)址的(de)下(xià)限和(hé)上(shàng)限64模块(kuài)。


2.4AD8488工作原理
AD8488電(diàn)路(lù)結構如(rú)图(tú)2所(suǒ)示：


图(tú)2AD8488電(diàn)路(lù)結構图(tú)

如(rú)图(tú)所(suǒ)示，AD8488主(zhǔ)要(yào)由(yóu)四(sì)部(bù)分(fēn)構成(chéng)。分(fēn)别为(wèi)前(qián)置電(diàn)荷量(liàng)轉(zhuǎn)換器、差分(fēn)輸出(chū)選擇器、輸出(chū)緩沖器和(hé)时(shí)序/控制部(bù)分(fēn)。前(qián)置電(diàn)荷量(liàng)轉(zhuǎn)換器为(wèi)128通(tòng)道(dào)電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器，每一(yī)个(gè)通(tòng)道(dào)由(yóu)一(yī)个(gè)放(fàng)大器，一(yī)个(gè)低通(tòng)濾波(bō)器和(hé)一(yī)个(gè)二(èr)級放(fàng)大器構成(chéng)。電(diàn)路(lù)結構图(tú)如(rú)图(tú)3所(suǒ)示：


图(tú)3電(diàn)荷量(liàng)轉(zhuǎn)換器結構图(tú)



前(qián)端采集到(dào)的(de)電(diàn)荷信(xìn)号(hào)通(tòng)过(guò)第(dì)一(yī)級積分(fēn)放(fàng)大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，共(gòng)有(yǒu)四(sì)檔可(kě)選。各(gè)檔位轉(zhuǎn)換參數如(rú)图(tú)4所(suǒ)示：

图(tú)4電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器轉(zhuǎn)換參數



这(zhè)四(sì)檔分(fēn)别由(yóu)四(sì)種(zhǒng)不(bù)同(tóng)容值的(de)反(fǎn)饋電(diàn)容（CF1）控制。當CF1=0.45pF时(shí)，輸出(chū)典型值为(wèi)2.3V/pC（單位为(wèi)伏特(tè)每皮庫倫，指每積分(fēn)1皮庫倫，輸出(chū)为(wèi)1V。1pC=C）；當CF1=1.1pF时(shí)，輸出(chū)典型值为(wèi)1.1V/pC，以(yǐ)此(cǐ)類(lèi)推。CF1容值越大，增益越低。第(dì)二(èr)級低通(tòng)濾波(bō)器实際上(shàng)是(shì)一(yī)个(gè)保持(chí)裝(zhuāng)置，由(yóu)一(yī)个(gè)電(diàn)阻R1和(hé)一(yī)个(gè)電(diàn)容構成(chéng)。第(dì)一(yī)級放(fàng)大器輸出(chū)的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)通(tòng)过(guò)R1給(gěi)電(diàn)容充電(diàn)，以(yǐ)便于(yú)第(dì)二(èr)級放(fàng)大器对(duì)進(jìn)行積分(fēn)放(fàng)大。因(yīn)此(cǐ)相當于(yú)一(yī)个(gè)低通(tòng)濾波(bō)器。的(de)參數由(yóu)GNSEL[3..0]選擇，參數如(rú)图(tú)5所(suǒ)示：

图(tú)5參數選擇表(biǎo)

注：GNSEL[3..0]寄存器只(zhī)能(néng)選擇的(de)容值，并不(bù)代(dài)表(biǎo)增益。上(shàng)图(tú)中(zhōng)所(suǒ)表(biǎo)示的(de)增益实際上(shàng)是(shì)當二(èr)級放(fàng)大器的(de)反(fǎn)饋電(diàn)容为(wèi)0.5pF是(shì)，不(bù)同(tóng)的(de)容值下(xià)对(duì)應(yìng)的(de)增益。第(dì)三(sān)級放(fàng)大器與(yǔ)第(dì)一(yī)級相同(tóng)，也(yě)是(shì)一(yī)个(gè)電(diàn)荷積分(fēn)放(fàng)大器。只(zhī)不(bù)过(guò)第(dì)一(yī)級輸出(chū)的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)是(shì)对(duì)芯片(piàn)輸入(rù)的(de)電(diàn)荷量(liàng)的(de)積分(fēn)，然後(hòu)該電(diàn)壓信(xìn)号(hào)对(duì)第(dì)二(èr)級的(de)電(diàn)容進(jìn)行充電(diàn)，之後(hòu)通(tòng)过(guò)第(dì)二(èr)級放(fàng)大器对(duì)的(de)電(diàn)荷量(liàng)積分(fēn)，最(zuì)終(zhōng)輸出(chū)新的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，形成(chéng)二(èr)次(cì)放(fàng)大的(de)效果(guǒ)。第(dì)二(èr)級積分(fēn)放(fàng)大器增益由(yóu)CF2控制，共(gòng)有(yǒu)10檔，增益單位为(wèi)V/V。注：因(yīn)为(wèi)第(dì)一(yī)級放(fàng)大器已經(jīng)将電(diàn)荷信(xìn)号(hào)轉(zhuǎn)換为(wèi)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，因(yīn)此(cǐ)第(dì)二(èr)級放(fàng)大器的(de)電(diàn)壓为(wèi)伏特(tè)每伏特(tè)。增益表(biǎo)如(rú)图(tú)6所(suǒ)示：

图(tú)6第(dì)二(èr)級積分(fēn)放(fàng)大器增益表(biǎo)


2.5AD8488的(de)控制时(shí)序

图(tú)7AD8488控制时(shí)序图(tú)

AD8488的(de)控制时(shí)序如(rú)图(tú)7所(suǒ)示。主(zhǔ)要(yào)控制信(xìn)号(hào)如(rú)下(xià)：

1. SWIRST是(shì)指IRST，用(yòng)于(yú)控制第(dì)一(yī)級積分(fēn)器的(de)開(kāi)關(guān)
2. GNSEL0~3，用(yòng)于(yú)控制中(zhōng)間(jiān)部(bù)分(fēn)的(de)開(kāi)關(guān)，0~3是(shì)并行的(de)關(guān)系(xì)
3. SWHOLD是(shì)指HOLD信(xìn)号(hào)，用(yòng)于(yú)控制通(tòng)路(lù)
4. SWGRST是(shì)指GRST信(xìn)号(hào)，用(yòng)于(yú)控制增益放(fàng)大器的(de)部(bù)分(fēn)。

2.6信(xìn)号(hào)采集
信(xìn)号(hào)采集部(bù)分(fēn)使用(yòng)了(le)AD9244模數轉(zhuǎn)換器，該芯片(piàn)是(shì)一(yī)款65MSPS，14bit的(de)ADC芯片(piàn)。AD9244電(diàn)路(lù)原理图(tú)如(rú)图(tú)9所(suǒ)示：

图(tú)9AD9244原理图(tú)

信(xìn)号(hào)輸入(rù)采用(yòng)直(zhí)流耦合的(de)方(fāng)式，为(wèi)了(le)防止9244輸入(rù)飽和(hé)，将R6和(hé)R7改为(wèi)1k。8488輸出(chū)共(gòng)模電(diàn)壓为(wèi)2.048V，9244與(yǔ)8488共(gòng)用(yòng)同(tóng)一(yī)个(gè)參考電(diàn)壓，因(yīn)此(cǐ)9244的(de)零(líng)點(diǎn)即为(wèi)8488的(de)零(líng)點(diǎn)。



三(sān)、软(ruǎn)件(jiàn)設計(jì)

3.1FPGA工程架構
FPGA工程架構如(rú)图(tú)10所(suǒ)示：

图(tú)10FPGA工程架構

3.2FPGA工程功能(néng)

• 上(shàng)位機(jī)或(huò)者(zhě)硬(yìng)件(jiàn)信(xìn)号(hào)控制ad8488芯片(piàn)的(de)采集使能(néng)和(hé)複位，打(dǎ)包(bāo)ad采集128通(tòng)道(dào)的(de)所(suǒ)有(yǒu)數據(jù)，并通(tòng)过(guò)网(wǎng)口(kǒu)傳輸到(dào)上(shàng)位機(jī)。
• 上(shàng)位機(jī)可(kě)配置ad采集的(de)幀數量(liàng)、每幀采集轮次(cì)、各(gè)通(tòng)道(dào)采集數據(jù)阈值；
• 上(shàng)位機(jī)可(kě)配置ad8488芯片(piàn)采集时(shí)序和(hé)采集增益；
• 上(shàng)位機(jī)可(kě)配置重(zhòng)读(dú)包(bāo)文(wén)序号(hào)和(hé)重(zhòng)读(dú)使能(néng)，支持(chí)重(zhòng)读(dú)每次(cì)采集的(de)任意(yì)AD數據(jù)包(bāo)文(wén)；

• 每采集完一(yī)幀數據(jù)就(jiù)向(xiàng)上(shàng)位機(jī)發(fà)送該幀數據(jù)的(de)所(suǒ)有(yǒu)包(bāo)文(wén)；
• AD采集數據(jù)为(wèi)0xff时(shí)替換为(wèi)0xff（通(tòng)道(dào)數據(jù)間(jiān)的(de)分(fēn)隔符是(shì)0xff避免采集數據(jù)和(hé)分(fēn)隔符混淆）。

• 放(fàng)大器时(shí)序産生(shēng)模块(kuài)放(fàng)大器时(shí)序産生(shēng)模块(kuài)根(gēn)據(jù)參數和(hé)放(fàng)大器控制邏輯生(shēng)成(chéng)放(fàng)大器控制和(hé)增益配置时(shí)序。
  
  

• 采集數據(jù)处理模块(kuài)采集數據(jù)处理模块(kuài)用(yòng)于(yú)切(qiè)除8488时(shí)序中(zhōng)不(bù)需要(yào)的(de)ADC數據(jù)；根(gēn)據(jù)8488时(shí)序，对(duì)應(yìng)通(tòng)道(dào)與(yǔ)ADC數據(jù)；不(bù)同(tóng)通(tòng)道(dào)之間(jiān)添加分(fēn)隔符；一(yī)幀數據(jù)采集完成(chéng)後(hòu)添加幀标(biāo)識标(biāo)签(qiān)。
  
  
  图(tú)12采集數據(jù)处理模块(kuài)
  
  
• 采集幀标(biāo)識産生(shēng)模块(kuài)采集幀标(biāo)識産生(shēng)模块(kuài)根(gēn)據(jù)时(shí)鐘(zhōng)計(jì)算當前(qián)幀和(hé)當前(qián)轮。

图(tú)13采集幀标(biāo)識産生(shēng)模块(kuài)

• 指令解(jiě)析模块(kuài)指令解(jiě)析模块(kuài)用(yòng)于(yú)解(jiě)析上(shàng)位機(jī)下(xià)發(fà)的(de)指令。指令格式數據(jù)长度(dù)短(duǎn)，需在(zài)包(bāo)文(wén)後(hòu)面(miàn)補一(yī)定(dìng)數量(liàng)的(de)0x00，避免包(bāo)文(wén)过(guò)短(duǎn)被(bèi)路(lù)由(yóu)器丢掉。

图(tú)14指令解(jiě)析模块(kuài)

四(sì)、總(zǒng)結

4.1、系(xì)統改用(yòng)锂電(diàn)池進(jìn)行供電(diàn)，直(zhí)接排除工頻干(gàn)擾。目前(qián)测試系(xì)統ADC底噪僅4bit，符合項目需求。

4.2、在(zài)數據(jù)处理时(shí)加入(rù)50Hz陷波(bō)处理。优點(diǎn)是(shì)硬(yìng)件(jiàn)靈活，不(bù)需要(yào)硬(yìng)件(jiàn)濾波(bō)。目前(qián)該采集系(xì)統已經(jīng)設計(jì)成(chéng)FMC子卡(kǎ)的(de)形式，如(rú)图(tú)15所(suǒ)示。該子卡(kǎ)配合明(míng)德揚MP5620開(kāi)發(fà)板，即可(kě)实現(xiàn)128通(tòng)道(dào)電(diàn)荷采集功能(néng)，可(kě)以(yǐ)用(yòng)来(lái)進(jìn)行工程验(yàn)證，減少(shǎo)前(qián)期(qī)試錯成(chéng)本(běn)。

图(tú)15AD8488FMC子卡(kǎ)