基于STM32的数字化X射线介质识别系统的研究

杨刚

摘要：数字化X射线探测系统是由X射线发生器，准直器，非晶硅平板探测器，多道分析器，接口电路以及上位机能量谱识别系统构成。该系统的创新点在于通过对X射线源加入STM32F103控制电路，实现射线源电压，电流以及曝光时间的可控，从而依据待检物体的情况把X射线的辐射剂量做到最小，而且通过基于LABVIEW环境编写上位机系统 ，从而远程调控射线发生的参数，最大限度地减小对人的辐射危害； 在接受部分 使用非晶硅平板探测器以及数字化处理芯片使得所处理信号为数字信号，从而大大地增加了信号的精度以及探测的准确度。

关键词：数字化X射线；能谱识别；远程调控；探测准确度

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0210-01

X射线穿透力强，射线源不用直接接触介质，在三相流体检测中，对相含率的测量提供了一种方法；在井下砂体识别的应用中，使用X射线砂体识别技术为防砂治沙提供了一种评价依据。在石油生产开采领域，X射线的应用对提高其产油率，进行油井安全生产的检测具有十分重要的意义。特别是近些年数字化X射线的发展更是为X射线在各个技术领域内的有效应用提供了保障。

1 数字化X射线介质识别系统

X射线的探测是通过接收射线穿透物质后的强度来实现的，本文中使用的X射线探测器是由闪烁材料和光电转换器件组成的闪烁探测器，它将探测到的透射X射线转换成电压脉冲信号，信号的大小代表其强度大小，将此脉冲信号经过放大、滤波、峰值保持等预处理后，再使用STM32F103芯片对其进行脉冲幅度分析运算并与上位机进行通信，就可得到一条关于X 射线透射强度的谱线。如图1所示：

图1 数字系统总体框图

2 信号检测通信方案设计

探测信号后期的检测与处理这里有两套方案，基于对硬件精度，速度的要求实时选择适合自己方案会达到事半功倍的效果。其中方案一如图2示：主要由前端信号处理电路，峰值检测，峰值保持，AD转换，STM32和FPGA组成的数据采集与控制模块，通讯模块以及存储单元。其中从探测器出来的信号为负脉冲信号需经过前端处理电路进行信号的滤波与放大在经过峰值保持与峰值检测电路由高速AD进行峰值信号的采集，送至STM32和FPGA组成的控制与运算单元进行信号的处理与转换再经由通讯模块通信输送至上位机显示。高速AD采集到的峰值信号经FPGA分道采集按照其道址进行数据采集，然后再经由STM32处理经过网口送至上位机软件进行显示并进行数据存储。其中关键环节问题为FPGA和STM32之间的通信，主要通过FSMC接口可以实现，把FPGA当做SRAM，用FSMC的A模式来进行数据传输，FSMC（Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器）是STM32系列中内部集成256 KB以上FlaSh，后缀为xC、xD和xE的高存储密度微控制器特有的存储控制机制。之所以称为“可变”，是由于通过对特殊功能寄存器的设置，FSMC能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度，从而使得STM32系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器，而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。模式A —— SRAM/PSRAM（CRAM） OE翻转 模式A与模式1的区别是NOE的变化和相互独立的读写时序。本系统应用到的正是模式A的SRAM功能，进行相互之间的通信。STM32作为新一代ARM Cortex-M3核处理器，其卓越的性能和功耗控制能够适用于广泛的应用领域；而其特殊的可变静态存储技术FSMC具有高度的灵活性，对于存储容量要求较高的嵌入式系统设计，能够在不增加外部分立器件的情况下，扩展多种不同类型和容量的存储芯片，降低了系统设计的复杂性，提高了系统的可靠性。

图2 信号处理与通信框图

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（上接第210页）

3 上位机软件的设计

在labVIEW串口程序中，主要使用了工具组VISA。使用的各个VI包括VISA串口配置函数、VISA写入函数，VISA读取函数，再对串口读取的数据帧按照其中格式分解到各个显示控件中，对于labVIEW界面对电源设置的参数及控制命令反向也是如此，界面上的设置配置好的参数，按照帧格式组帧，通过串口发送命令发送数据。经过labVIEW设计的界面上位机软件可对X射线发射源进行远程可调控制，缩短曝光时间使辐射量降到最低，达到最优化的射线介质识别剂量，设置调节其参数，实现对X射线发射源的远程控制。

4 总结

前端硬件结构固然重要，但要想取得准确的探测结果，后期的软件算法尤为重要.算法的优劣很大程度上影响能谱分辨率和计数率。同时系统要求道址存在线性关系，以便于能谱刻度定标。为了保证能谱分辨率需要尽可能高的信噪比、稳定的基线；为了提高能谱的计数率需要减少脉冲堆积，减少脉冲堆积即减小成形脉冲宽度；为了保证线性度要求输入和输出幅度保持严格线性关系。同时为了方便能谱测量成形波形应方便后续处理及成形参数调节方便。故后续工作还应继续加大对类似于高斯，梯形以及泊松算法等的优化论证，选取最合适的算法结构。

参考文献：

[1] 王晓庆.医用X射线机工程师手册[M].北京：中国医药科技出版社，2009.

[2] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[3] 王琪. 低能X射线发生系统研究[D].西安石油大学，2014.