基于PCI1716的CBS系统数据采集与处理方案的设计

刘伟豪，陈嘉敏，沈天明，尤晓明

（公安部第三研究所，上海201204）

0 引 言

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。为此我们开发出了一套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CBS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。与一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，给设计一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，但该方法也存在着一些不足，为此系统中采用了另外一种数据实时采集与处理的方法，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，并结合一些软件技术，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射线背散射探测模块、传送带机构、模拟信号处理电路、系统控制模块、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，进行一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，在完成一定行的扫描后，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，下一个同步信号之前必须完成本数据行的采样；

（3）每完成一行的数据采集后，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ARM＋FPGA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S5933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一种方式：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2K FIFO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入手：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模块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，一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一个方案）如下：触发方式——定时触发 （pacer触发）；A／D转换时钟——内部时钟；触发源——外部触发；采样方式——非循环采样。

接收的X射线背散射信号输入到PCI－1716的一个模拟输入端口进行A／D转换，数据的采集采用外部触发模式，由行同步信号发生器产生行同步信号作为外部触发信号，每个外部触发脉冲上升延开始进行数据的A／D转换，每行采样2048个数据后A／D转换停止，并对当前采样的行数据进行处理和成像显示，同时等待下一个触发信号的产生，进行下一行数据的A／D转换和处理。

2.1.1 数据采集过程中遇到的问题

上述常规数据采集方案实现简单，不需要额外的辅助硬件。但对实时性和连续性要求很高的CBS系统来说，会产生较严重的数据丢行和错位问题。

（1）数据错位：例如图2是采用该方案采集数据经常出现的问题，即数据错位现象。该图是对一规则方形木块进行扫描采样得到的背散数据成像图，白色条形区域是木块背散成像区，该成像区应该具有整齐的边缘，但图中白色圆圈处却出现了异常。从后两个白圈中可以看到有一扫描行数据出现了错位，该行的木块采样数据出现在白色木块区域的上方，第1个白圈的情况则相反。

图2 采样图像的数据错位

（2）数据丢行：数据采集时发生数据丢行的现象不易直接观测到，为了对数据丢行情况进行检测，在实验中对设备作必要改动：对周期性产生的行同步信号系列中，将第4n（n为正整数）个行同步信号所在的扫描期内的X射线强度人为减弱，其它同步周期内X射线强度不变，这样每四条扫描线中就有一行暗扫描线，形成规则的明暗相间条纹，即两条暗扫描线之间有三条正常扫描线。但发生采样数据丢行时这种规则的条纹会被打乱。下面以一个实验作说明。

图3两幅图片中右上角子图是经上述改动后的扫描数据成像全局视图，图中白线左边部分是规则的明暗相间条纹，而白线右边部分的条纹则出现了紊乱。为观察其中的细节，将全局图中白线左边白色小区域在photoshop中放大得到图3上图。从上图可看出，黑色扫描线等间隔出现，即每4列出现一次，对应于第4n个行同步信号的扫描线。同样将全局图右边白色区域放大得到图3下图。与上图相比，下图中暗扫描线出现的间隔显得杂乱无章，如前两条暗线之间只间隔2条线，表明在4个行同步信号的采样过程中有一行数据丢失了。而第3和第4条线之间则相隔了5条线，说明在采样时至少有一条暗线所对应的扫描数据行丢失了。

图3 采样图像的数据丢行

2.1.2 产生数据丢行和错位原因分析

产生上述两种问题的原因主要是由于采集卡功能上的限制及数据采集方案的缺陷造成的。

在本系统中要求数据的采样和行同步信号严格同步，每个同步信号来临后启动数据采样，下一个同步来临前要完成指定数据量的采样，并要留出一定时间完成A／D转换操作，如图4所示。

图4 数据采样的时序要求

图4中TL：同步信号开始到采样启动的间隔；TC：本行数据采样结束到下一同步来临之前时间间隔；为保证数据采样的连续性和完整性，对时间TC和TL的要求是：

TC＞0：以保证在下一同步来临前完成本行数据的采样并留出时间准备下次采样。如果在第n＋1个同步进来时第n个同步信号的采样还未完成，采集卡将不响应第n＋1个同步信号，造成数据行丢失。

TL：每行采样的TL值应该尽可能相等，否则会使各行数据采样的起始位置不同，造成采样物的边缘参差不齐，严重时造成明显的数据错位。

常规的数据采集方案的问题在于，由于采集卡功能的限制，每个同步信号采样完指定量的数据后，再进行下个同步信号的数据采集时，需要对采集卡进行软件复位。因为软件复位要受到系统线程调度的制约，使软件对采集卡复位到真正开始采样的时间间隔TL具有不确定性，如图5所示。

图5 常规数据采集方案的采样时序

TL的不确定不能保证一个行同步信号周期内完成一行数据采样，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中两幅图像为同一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小。同时TL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TL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。下一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TL和TC可以根据需要固定下来。这样从硬件上保证了在下一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模块产生时钟脉冲时，采集卡也就处于停止状态 （如图中tn时刻）。只有使行同步信号触发出时钟脉冲时 （如图中t1和t2时刻），采集卡才开始采样。

图6 改进的数据采样时序图

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。

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

软件设计中一个关键问题是如何防止数据的丢失，数据丢失一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是一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一定的时延作用，造成数据丢失。因为Windows系统线程切换的时间典型值约为20ms，而本系统每行数据采样间隔是10ms，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转换结束产生一个硬件中断，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场合，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，也不适合高速连续的数据采集。DMA方式不需要CPU的参与所以特别适合大量数据的高速采集。

由于本系统需要采集的数据量大，同时还要进行数据的实时处理等工作，要求数据采集时不能占用过多的CPU资源，因此采用了DMA数据传输方式。

（2）FIFO的运用

PCI－1716板卡中每路均内嵌2Kbytes FIFO高速同步缓存。设置FIFO的目的是为了防止在高速采集和传输数据过程中丢失数据，特别是在像Windows这样的多任务操作系统下，通常板卡完成A／D转换后，将数据写入到数据输出寄存器中，接着使用DMA功能将数据传输到内存。如果没有FIFO功能，每次硬件完成A／D转换后会改写保存在数据寄存器中的值，如果上次A／D的数据在新数据到来之前没有被传输到CPU内存，这个数据就丢失了。

利用PCI－1716的特性，将FIFO设置为循环缓冲区（Circ－Buf），这样在指针到达缓冲区底部时系统会自动修改指针指向缓冲区的头部，而不需要人工修改。PCI总线延时也可能造成数据丢失，采用了板上提供的1KSample的FIFO作为缓存，保证了数据的完整性。

（3）双缓冲区技术的运用

设置 PCI－1716采 集 卡 运 行 在 循 环 采 集 Bus－master DMA模式下，并给板卡分配采样缓冲区和传输缓冲区，FIFO缓存中的数据通过DMA方式经PCI总线传送到采样缓冲区。采样缓冲区被分成大小相等的第一和第二half缓冲区，同时用户程序还分配一个传输缓冲区接收从采样缓冲区中传来的数据，然后传输缓冲区中的数据将进行后续数据处理和成像显示。

两个大容量缓冲区的存在解决了高速采集的部分问题，同时32位33M的PCI总线保证了数据从FIFO传输到内部缓存的传输带宽问题。

（4）采样缓冲区容量设置的研究

在逐行扫描逐行显示模式下，采样缓冲区容量设置为一行数据的大小即2048个样本 （4096Bytes），当第二half缓冲区满时就要进行数据的传输和处理以及成像显示了。此时任一half缓冲区满的时候应用程序必须立即取走数据，因此每5ms就要向传输缓冲区传送一次数据。实验证明在Windows这种非实时操作系统中，采样缓冲区容量设置为一行数据量大小时，会发生频繁的数据丢行现象，为此必须在缓冲区容量设置上进行改进。

将单行扫描单行显示改为扫描数行后再成像显示在视觉效果上的几乎没有影响，但能避免数据采样中出现的许多问题。为此将采样缓冲区容量设置为4行数据量的大小，即8192个样本，相当于一个数据采样行对应于4个扫描行，则填满每个half缓冲区的时间为20ms（2个扫描行），数据处理间隔延长到40ms，应用程序取数据和处理数据间隔显著延长，发生数据丢行的概率也大为减少 （图8）。

图8 采样缓冲区的容量设置

采样缓冲区容量设置为4行数据量大小还可避免一个数据行中出现两行数据混叠 （数据串行）的问题。在半缓冲区容量等于半个扫描行数据量的情况下，在第一half缓冲区拷贝到传输缓冲区中当前行相应位置时，第二half缓冲区发生了数据覆盖 （overrun），填入的是下一行中某个半行的数据，结果传输缓冲区中当前行相应位置中对应的是不同行的两个半行组合的数据，出现数据紊乱。将half缓冲区容量设置为2个扫描行后，即使发生数据覆盖的情况，只会发生数据行丢失，不会出现下一行上半行的数据填入当前行的下半行的情况，如图9所示。

图9 采样数据混迭现象

2.4 系统数据采集与处理的软件设计

2.4.1 系统数据采集与处理的软件方案

Windows是一种基于消息驱动机制和线程优先级的抢先式多任务操作系统，但并不是实时操作系统，没有提供足够的实时处理功能。因此在Windows系统下开发实时测控系统需要运用一些技术。

在软件设计的实施中，为减少系统工作过程中数据处理、图像重建、存储和显示刷新对高速连续的数据采集产生的延时作用，采用Windows系统多线程技术有效利用Windows等待时间，提高程序执行效率。为此根据系统功能需要创建的线程主要有：数据采集、数据处理、图像显示刷新和图像存储、人机交互及系统控制等线程。

在线程设计时综合考虑多种因素，实现对不同运行速度和时间精度的线程间同步，单个线程的运行快慢不影响其它线程的运行；合理规划线程之间的通讯，解决线程间的数据交换和共享问题；

数据采集和处理和图像存储线程不接受用户输入属于工作者线程，采用后台工作方式。在优先级的设定上，数据采集线程优先级最高，其次是数据处理线程。

系统工作时，数据采集卡向内存缓冲区中添加采集到的数据，采集完一个采样行的数据后，数据处理线程开始工作，从内存缓冲区中读取数据，进行处理、图像重建和显示。数据采集线程继续采集数据，等待下一行数据。数据存储线程只有在采集数据达到制定长度后才启动，完成数据的保存后线程挂起。数据采集和处理、显示线程之间通过事件消息实现线程同步，通过全局数据对象进行数据共享。数据采集和数据分析显示同时进行，提高了系统资源利用率的同时，也实现了数据的连续采集和实时性，如图10所示。

图10 系统软件流程

2.4.2 系统数据处理的方式

由于在采集过程中要将采集的数据及时地成像显示，因此对于某些简单的数据处理如去噪声、数据成像等操作可在每个采样行数据采集完成后进行，而对需要用到全局信息和较复杂的数据处理如图像后处理、违禁品凸显和报警等操作放在完成一件物品的扫描，数据采样暂停后进行。这种处理方式可尽量减小数据处理对数据实时采集的影响。

3 数据采样实验结果分析

新的数据采集方案效果可以从成像质量主观判断，例如观测采集的成像图是否出现数据错位 （一个边缘整齐的物体扫描成像后边缘是否也齐整，是否有毛刺），数据丢行是否严重 （在选择适当扫描速度情况下物体成像图是否出现明显的纵横比例失调）。

此外也有其它客观的衡量方式，在数据进行采集的过程中，通过软件查询采集卡的状态可以知道当前是否发生数据覆盖，即数据丢行，记录一定采集时间内发生数据覆盖的次数，可以作为衡量数据采集发生丢行情况的参考指标。经实验观测，常规的数据采集方案每采集1000行数据大约会检测到10－16行的数据丢失，而同样情况下改进的数据采集方案基本上检测不到数据行的丢失。这一点也可以用2.1.1所提到的方法进行扫描所得到的图像进行局部放大，观察暗条纹的分布情况得到证实。

4 结束语

本文针对CBS检测设备提出了一种基于通用数据采集卡的数据采集与处理方案，旨在简化系统数据采集的设计，减少系统开发周期和成本，提高其可靠性和稳定性。

根据CBS探测系统对数据采集的要求和容易出现的问题，在硬件上采用研华公司通用数据采集卡PCI1716并设计相应的前端模拟信号滤波、信号放大、外部行同步信号和时钟脉冲发生装置。在软件设计上运用多线程和其它一些关键技术，实现高速数据采集的同时，完成数据的处理、分析和实时成像显示刷新。

该数据采集和处理方案已经成功应用于X射线背散射违禁品检测产品中，实际使用情况表明，该方法简单实用、运行稳定可靠，达到了预期目的。方案中所提出的技术和方法也可以在类似的高速数据采集领域推广应用。

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