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摘要：针对多通道γ射线工业计算机断层扫描（CT）的高速数据采集和远距离传输需求，应用点对点传输，设计了基于数据报协议（UDP）的现场可编程门阵列（FPGA）数据采集传输系统。系统增加FPGA计数单元，可扩展更多通道进行数据采集。主控以FPGA作为核心，将UDP用Verilog编程的方式在FPGA中实现，控制以太网接口芯片将数据传至上位机，上位机界面与底层传输电路的相互通信利用VC++6.0编程实现。实验结果表明：在100Mb/s全双工模式下进行网络测试，其网络利用率稳定在93%，传输速度为93Mb/s（即11.625MB/s）；上位机能正确地接收到底层电路所发送的数据；能够满足γ射线工业CT高速数据采集系统在速度和距离上的传输要求。
关键词：γ射线工业计算机断层扫描；数据采集；可编程门阵列；数据报协议；上位机
中图分类号： TP274.2； TP391
文献标志码：A
0 引言
计算机断层扫描（Computed Tomography， CT）技术结合了核电子、控制、光电、图像、计算机等多门学科技术，具有非入侵式成像的特点[1-2]，已广泛应用于医学和工业。γ射线工业CT工作时，首先，通过探测器进行信号采集；然后，数据采集传输系统完成转换、处理；最后，传到上位机完成计算和图像重建。所以，数据采集传输是CT系统非常重要的部分，当前工业CT探测采集传输系统逐渐向探测数量多、数据量大、传输距离长的方向发展，尤其在速度和距离方面的要求越来越高。当前γ射线工业CT大都通过数据总线接口完成同上位机通信，如工业标准结构（Industrial Standard Architecture， ISA）总线、外设部件互连标准（Peripheral Component Interconnect， PCI）总线、通用串行总线（Universal Serial BUS， USB）等 [3-6]，这样的传输方式能够保证数据的传输速度，但是在传输距离上受到很大限制[7]。
针对该情况，系统采用以太网实现数据的高速、远距离传输，在保证传输速度的同时，在传输距离上加以改善。同时，以现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array， FPGA）作为数据处理芯片，其具有速度快、效率高、通用性强、适用于模块化设计等特点。在工业CT已有的FPGA和以太网芯片的应用中，需要通过高级精简指令系统集成计算机（Advanced RISC Machine， ARM）芯片或者可编程片上系统（System on a Programmable Chip， SOPC）移植嵌入操作系统，完成传输控制协议/因特网互联协议（Transmission Control Protocol /Internet Protocol，TCP/IP）的协议族[8]，这两种方式都会占用较多的资源和成本。针对该问题，本文通过编程方式实现用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的传输控制，将以太网芯片和FPGA连接通信，充分结合两者的优势，使系统更加精简。
1 系统结构设计
在工业CT中，γ射线源探测部分主要由光电倍增管、固体闪烁晶体构成[9]。由于γ射线剂量很小，因此，必须采用有光电倍增管的探测器，实现光信号到电信号的转换。具体过程为：当γ射线穿过前端探测器的闪烁体，会使其发生闪烁现象从而产生可见光，当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极的电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射倍增放大，然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。
产生的光电流信号与光子数量成正比，各采集通道输出的光电流信号在经过各自信号处理电路放大、甄别、分频后，直接送入对应的多通道FPGA计数单元进行计数，根据单位时间内得到光子数量量化γ射线的强度；主控FPGA通过时钟信号控制各个FPGA计数单元，读取其数据并通过以太网传输至上位机。图1为数据采集传输系统结构设计框图。
2 底层电路传输协议的实现
以太网传输层主要有两种协议，传输控制协议（Transmission Control Protocol， TCP）和UDP。TCP虽然有超时重传、分组排序、重复分组检查等优点，但其协议复杂，且中断后重新建立连接时会执行“三次握手”，实时性不高；UDP虽然是面向无连接的协议，其可靠性不如TCP，但其协议简单、时效高，广泛应用于实时性要求很高的场合。本系统是针对工业CT数据点对点传输，有相应算法提供保障，几乎不存在丢包现象。因此，采用UDP能很好地满足系统高实时性的要求。
系统传输部分媒体独立接口（Medium Independent Interface，MII）连接如图2所示，传输协议的实现分为UDP的实现、IP的实现和介质访问控制（Medium Access Control， MAC）协议的实现[10]。
2.1 UDP的实现
UDP的实现包括UDP发送缓存模块、UDP发送模块、UDP接收缓存模块、UDP接收模块、校验和计算模块[11]。UDP发送缓存模块主要用于缓存用户数据；发送模块主要负责判断状态，打包用户数据，发送打包好的UDP数据；接收模块主要负责解包IP接收模块所发送的UDP数据报，向应用层发送解包后的UDP数据；UDP接收缓存模块主要用于缓存IP接收模块解包的UDP数据；UDP校验和作为可选部分，为节省FPGA资源，本次设计在数据报的相应部分以0作为填充。
2.2 IP的实现
IP的实现包括IP发送缓存模块、IP接收缓存模块、IP发送模块、IP接收模块、检验和计算模块。IP发送缓存模块用于缓存UDP发送模块发送的UDP数据报；IP 接收缓存模块用于缓存MAC接收模块发送的IP数据报；IP发送模块负责接收传输层所发送的UDP数据，然后计算校验和并添加报头信息，完成IP数据报的封装；IP接收模块负责接收MAC层所发送的IP数据报，解包并作相应分析，判断是否为本机数据包；IP校验和计算模块则用于对发送、接收数据报的校验和进行计算，其计算方法为：先将校验和字段置0，再对校验内容每16b进行反码求和。
2.3 MAC协议的实现
MAC协议的实现包括MAC发送模块、MAC接收模块、MII接口模块、循环冗余校验码（Cycle Redundancy Check， CRC）校验模块。MAC发送模块先接收IP发送模块发送的数据包，然后将其进行MAC帧的封装；MAC接收模块接收到命令数据后，校验是否为碎片，检查目标地址，检查数据包的完整性，完成解包后发给IP接收模块；MII接口模块负责与物理层（Physical Layer，PHY）芯片连接；CRC校验模块负责计算帧校验序列，由于系统发送和接收都是4位数据，故采用4位并行CRC-32方法[12]，将传入PHY芯片的4位数据同时送至校验模块进行计算。
3 上位机程序的实现
上位机是一个完整传输系统必不可少的部分，本系统采用VC++6.0对上位机界面进行设计，其主要功能包括：接收底层传输电路所上传的数据，将上传的数据实时存储，根据接收到的数据绘制相应曲线，用于对数据进行观测。
3.1 基于UDP的套接字编程
网络通信的实现可以有多种方式，相比而言套接字（Socket）是其中比较简单实用的方法。Socket是连接应用程序与网络驱动程序的桥梁，在应用程序中编程创建，然后绑定操作进而与驱动建立联系。
针对传输系统的设计，将上位机作为接收端，底层传输电路作为发送端，完成基于UDP的套接字编程。其接收端和发送端程序设计流程如下：
接收端：
1）创建套接字（socket）；
2）将套接字绑定到一个本地地址和端口上（blind）；
3）接收数据（recvfrom）；
4）关闭套接字。
发送端：
1）创建套接字（socket）；
2）发送数据（sendto）；
3）关闭套接字。
3.2 创建线程接收函数
在接收端接收数据时，如果无数据到来，recvfrom函数会阻塞，从而导致程序暂停运行。为了保证程序运行的连续性，本次设计将接收数据的操作放在一个单独的线程中完成，并给此线程传递两个参数：一个是已创建的套接字，另一个是对话框控件的句柄。其功能主要通过调用CreatThread函数实现。由于CreatThread函数只提供了一个指针类型的参数，因此，在具体实现的过程中先定义了一个结构体，在结构体中包含了需要传递的两个参数，然后将该结构体类型的指针变量传递给CreatThread函数。
3.3 将数据实时存储并绘制曲线
为了便于下一步的图像重建和数据查看、分析，应将上位机接收到的数据进行实时存储，数据的存储采用文本文档格式。同时，为了能对接收到的数据进行实时显示，观测所采集接收的数据是否正常，应根据接收到的数据绘制相应曲线。本次设计采用一个非常完美的图表控件ProEssentials v5，ProEssentials v5是应用于Windows 服务器端和客户端开发的图表组件，它是对绘制图表、图表分析功能所需要的数据和方法的简单封装。设计程序时可以很方便地调用ProEssentials v5的函数库，添加绘制图表的功能，并可以对图表进行分析。其程序片段如下：
程序前
m_hPE=PEcreate（PECONTROL_SGRAPH，WS_VISIBLE，
&dgrrect，m_hWnd，10010）；
CPen pen（PS_SOLID，1，RGB（255，255，255））；
m_dcCompatible.SelectObject（&pen）；
m_dcCompatible.MoveTo（m_ptOrigin.x，m_pt Origin.y）；
m_dcCompatible.LineTo（point.x，point.y）；
程序后
4 实验结果与分析
上位机配置网络适配器为Realtek RTL8168/8111 PCI-E Gigbit Ethernet，调整到100Mbps/Full Duplex模式下，MAC层地址为00-23-89-1a-04-83，底层传输电路功能仿真如图3所示。
网络测试显示，传输过程中，网络利用率几乎恒定在93%左右这句话似不太通顺，请对语句作相应修改。，平均传输速度达到93Mb/s，即11.625MB/s，表明系统传输稳定且高效。
5 结语
由于系统计数单元单独采用FPGA计数芯片处理，其I/O接口更丰富，处理速度更快，并且具有更强的可扩展性，使得主控FPGA不必再分配资源参与计数处理，能以更快的速度实现控制与数据处理；作为底层传输电路，FPGA中UDP用Verilog语言实现，上位机作为数据接收端，对应的各项功能采用VC++6.0编程实现。该设计可以稳定高效地完成数据的传输，很好地满足了γ射线工业CT的高速、远距离采集传输要求；并且，射线无损检测的采集传输原理基本相同，因此本文所设计的传输系统理论上可以应用于其他工业CT中，具有一定的通用性。
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