关键词:
Zynq-7000
X射线
平板探测系统
无损检测
摘要:
X射线无损探测技术是基于X射线的穿透性质,对材料内部结构进行非破坏性检测的一种方法。X射线平板探测系统不仅能够利用X射线穿透材料以揭示内部结构,还能检测出如缺陷、夹渣和气孔等内部瑕疵,被广泛应用于机械制造、铁路以及军事工业等多个行业,因此对X射线平板探测系统进行研究具有重要意义。本文在中创智科(绵阳)科技有限公司横向合作科研项目“多球中子谱仪应用软件开发”(合同编号:2022Q302)和“高能X射线探测系统研制”(合同编号:2024Q02)的联合资助下,开展了基于ZYNQ的X射线平板探测系统工程样机的研制任务。论文的具体工作内容包括:
(1)X射线平板探测理论和系统方案的分析。分析了X射线的本质、产生机理、衰减规律以及常见的X射线平板探测系统的工作原理。探讨了X射线平板探测系统的性能参数和软硬件需求,得出本设计的系统方案。详细阐述了系统总体构成和各功能模块,深入探讨平板探测器的工作原理,包含了HX8698-D模块的内部结构和驱动模式,AD71124模块的内部结构和采集原理。
(2)X射线平板探测系统硬件设计与实现。根据系统性能参数需求,设计了X射线平板探测系统的硬件电路和机械外壳模块。首先是系统电源架构的分析与设计,系统采用两级级联的电源方案来降低噪声,第一级采用直流到直流(DC-DC)开关电源,第二级采用低压差线性稳压器(LDO),满足整个系统的功耗电流要求的同时降低噪声。其次是搭建ZYNQ主控系统平台,选用Zynq-7000系列的XC7Z020-2CLG484作为主控芯片,设计了相应的外围电路,包括板载时钟电路、电源管理电路、数据存储电路、数据传输电路、数据采集接口和控制驱动接口电路。然后,针对HX8698-D驱动模块和AD71124采集模块,分别设计了对应的菊花链级联电路。最后,设计了系统机械外壳,确保系统的整体集成和功能实现。
(3)X射线平板探测系统软件设计与仿真。首先,自上而下地设计了X射线平板探测系统时序控制模块总体结构,明确了每个代码模块的具体功能。其次,利用Verilog硬件描述语言进行代码模块化设计,包括HX8698-D驱动模块、AD71124采集模块、数据快速读出模块以及数据传输模块的时序控制,并对代码模块进行功能仿真验证,确保设计的代码模块功能正常。最后,针对X射线平板探测系统的成像逻辑设计了上位机软件。
(4)X射线平板探测系统测试及性能分析。针对系统的主控板、控制驱动板和数据采集板的电源进行测试,确保各个电源模块均正常工作。针对系统硬件电路和代码模块进行了实际板级时序验证测试,测试表明所有代码模块在系统硬件上运行时功能正常。在能量为300 Ke V的X射线现场环境中,对系统平板传感器用铁板和纸板遮盖进行测试,使用集成逻辑分析仪(ILA)和上位机显示所采集到的图像数据,测试表明本系统的最大像素阵列为3072×3072,ADC分辨率为16 bit,数据传输方式为以太网,一帧图像从模拟信号采集到完整图像在上位机呈现约为0.82505 s,帧频大于1 fps,现场测试系统功耗约为20 W,设备整体尺寸为576 mm×546 mm×32 mm,满足提出的所有指标且所有功能正常。最后,通过对系统性能的分析,在像素阵列为3072×3072的使用场景下,数据图像帧频可提升至2.75 fps左右。