（生物医学工程专业论文）基于tdiccd齿科全景数字化成像系统的硬件设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i 缸日期：盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：啦导师签名： 捅要 x 射线齿科全景数字化成像系统是当今放射医疗科学研究应用的热点，有助 于实现齿科全景成像的计算机处理和远程通讯。本课题组致力于自主研发一套直 接数字化全景成像系统，以便对医院现有的传统胶片式齿科全景成像系统的数字 化升级。为了实现齿科全景数字化成像系统对移动物体成像的要求，本设计采用 了具有高灵敏度的t d i c c d 作为光电耦合器。 基于t d i c c d 齿科全景数字化成像系统的硬件部分，其关键功能是在c p l d 的控制下，将x 射线信号经过光电耦合器( c c d ) 先转化为模拟的电信号，经 过降噪处理后，将模拟信号由模数转换器( a d ) 转换为数字信号，并通过u s b 2 0 接口高速实时地传输至上位机中进行存储，以供后续的图像显示、处理等操作。 本论文的主要内容包括t d i c c d 驱动电路模块、相关双采样模块和基于u s b 2 0 的数据采集模块的设计。 在t d i c c d 驱动电路模块中，设计了驱动电路的p c b 印制电路，并利用开 关电源和各种稳压模块设计了供电电源，为驱动电路和t d i c c d 供电。实验证 明，t d i c c d 在一定强度x 射线照射和没有x 射线照射两种情况下输出不同的 信号，证明了电源电路和驱动电路设计的正确性。 在相关双采样模块中，根据t d i c c d 输出信号噪声的特点，选用相关双采 样芯片，设计了相关双采样电路。使用v e r i l o gh d l 语言设计了芯片的控制时序 并进行了仿真。通过相关双采样实验，证明了电路和时序设计的正确性。 在基于u s b 2 0 的数据采集模块的硬件设计中，针对t d i c c d 输出的两路 信号，选用高速双核的a d 转换器设计了模数转换电路，并采用先入先出存储 器( f i f o 芯片) 对数据进行缓存，并通过u s b 2 0 接口将数据实时的传输至上位 机中。在基于u s b 2 0 的数据采集模块的软件设计中，为了实现对a d 转换和数 据存贮的控制，设计了基于c p l d 的时序控制脉冲。在q u a r t u si i 软件中对设计 的a d 转换时钟信号、f i f o 写时钟信号和f i f o 写使能信号进行仿真，结果均 达到设计要求。同时，还设计了u s b 2 0 接口的固件程序和上位机应用程序，实 现了基于u s b 2 0 接口的数据传输功能。数据采集试验结果表明，在时序控制脉 冲的控制下，基于u s b 2 0 的数据采集电路能够实现对双路信号的准确的a d 转 换，并将信号暂存进f i f o 中，然后利用u s b 2 0 接口传输数据至上位机，并最 终将数据保存为t x t 文件。实验中f i f o 存储器未出现装满的情况，数据采集系 统能够实现实时的数据采集。 各个模块均达到了设计要求，为后续的基于t d i c c d 齿科全景数字化成像 系统的搭建做了必要的准备。 关键词：t d i c c d ；相关双采样；模数转换；f i f o ；u s b 2 0 接口 北京工业大学t 学硕士论文 a bs t r a c t x r a yd e n t a lp a n o r a m i cd i g i t a lr a d i o g r a p h ys y s t e m ，w h i c hh e l p st oc o n s t r u c tt h e c o m p u t e r i z a t i o na n dt e l e c o m m u n i c a t i o no fd e n t a lp a n o r a m i cr a d i o g r a p h y , i sah o t s p o ti nb o t hs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm o d e mm e d i c a lr a d i o l o g y t h ea i m o fm yr e s e a r c hg r o u pi sd e v e l o p i n gad i r e c t l yd i g i t a lp a n o r a m i cr a d i o g r a p h ys y s t e m ， i n d e p e n d e n t l yu p d a t i n gd i g i t i z a t i o no ft h et r a d i t i o n a lo n e sw h i c hu s ef i l m s a st h e i m a g es e n s o r i no r d e r t oa c h i e v et h ei m a g i n go fm o v i n go b j e c ti nt h ex - r a yd e n t a l p a n o r a m i cd i g i t a lr a d i o g r a p h ys y s t e m ，as e n s i t i v et d i - c c d s e n s o rw a sc h o s e nt ob e t h ex - r a yi m a g es e n s o rt og e th i g hq u a l i t yi m a g ei n f o r m a t i o n t h e k e yf u n c t i o n s o ft h eh a r d w a r e s y s t e mo fd i r e c t l yd i g i t a lp a n o r a m i c r a d i o g r a p h ys y s t e mb a s e do nt d i c c da r ea sf o l l o w s ：u n d e rt h ec o n t r o lo fc p l d ， x r a ys i g n a l sa r ef i r s t l yt r a n s f o r m e di n t oa n a l o gs i g n a l sb yc c di m a g es e n s o r a f t e r n o i s er e d u c t i o na n da n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o n ，t h ed i g i t a ls i g n a l sa r et r a n s m i t t e dt o t h eh o s tc o m p u t e rr e a l t i m e l yb yt h eu s b 2 0i n t e r f a c ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n ts u c h a si m a g ed i s p l a ya n di m a g ep r o c e s s i n g t h em a i nj o bd e s c r i b e di nt h i sp a p e ri s h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gt d i c c dd r i v i n gc i r c u i tm o d u l e ， c o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n gm o d u l ea n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e do nu s b 2 0 i , n t e r f a c e i nt h et d i c c dd r i v i n gc i r c u i tm o d u l e ，p c bo ft d i c c dd r i v i n gc i r c u i tw a s d e s i g n e d p o w e rs u p p l ym o d u l ec o n s i s t i n go fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n dd i f f e r e n t k i n d so fv o l t a g er e g u l a t o r sw a sd e s i g n e df o rb o t ht h et d i - c c da n di t sd r i v i n gc i r c u i t a st h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d ，d r i v e nb yt h ed r i v i n gc i r c u i t ，t h et d i - c c dc o u l d w o r ks t a b l ya n dr e s p o n s et ot h ec h a n g eo fx r a ye x p o s u r e ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h e v a l i d i t yo f t h ed r i v i n gc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h en o i s e so ft d i c c do u t p u ts i g n a l s ，ac o r r e l a t e d d o u b l es a m p l i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e d ，w h i c hc o n s i s t e do fac o r r e l a t e dd o u b l es a m p l e r a n dp r o g r a m m e dt i m i n gp u l s e su s i n gv e r i l o gh d l t h ee x p e r i m e n to ft h ec o r r e l a t i n g s a m p l i n gv e r i f y st h ev a l i d i t yo ft h ec i r c u i ta n di t sp u l s e s i nt h eh a r d w a r ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mm o d u l e ，ad u a lh i g h - s p e e da d c o n v e r t e rc o n v e r t e dt h ea n a l o gs i g n a l so ft d i c c dt od i g i t a ls i g n a l s f i r s t - i nf i r s t o u t ( f i f o ) m e m o r i e sw e r ec h o s e nf o rd a t ac a c h e u s b 2 0i n t e r f a c em i c r o c o n t r o l l e rw a s u s e dt ot r a n s m i td a t af r o mf i f ot ot h eh o s tc o m p u t e r i nt h es o f t w a r ed e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mm o d u l e ，i no r d e rt oc o n t r o la n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r s i o na n dd a t a c a c h e ，t h ec o n t r o lt i m i n gp u l s e s ，i n c l u d i n ga dc l o c k ，f i f ow r i t ec l o c ka n df i f o w r i t ee n a b l ec l o c kw e r ep r o g r a m m e d ，c o m p i l e da n ds i m u l a t e di nq u a r t u si ib a s e d 摘要 o nt h ec p l dd e v i c ea n dt h es i m u l a t e dr e s u l t sw e r ei na c c o r d a n t ew i t hw h a td e s i r e d w h a t sm o r e ，t h eu s bf i r m w a r ea n dc o n t r o lp r o g r a mo fh o s tc o m p u t e rw e r ed e s i g n e d t of u l f i l ld a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g hu s b 2 0i n t e r f a c e t h ed a t aa c q u i s i t i o ne x p e r i m e n t s h o w e st h a tu n d e rt h ec o n t r o lo ft h ec o n t r o lt i m i n gp u l s e s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nu s b 2 0i n t e r f a c ec a ni m p l e m e n ta c c u r a t ea n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o no ft h e s i g n a l sf r o mt h et w oi n p u tc h a n n e l s t h e nt h ed i g i t a ls i g n a l sw e r ew r i t t e ni n t of i f o a n dt r a n s m i t t e db yu s b 2 0i n t e r f a c et ot h eh o s tc o m p u t e ra n ds a v e di nt h e t x tf i l e f i n a l l y i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ef i f on e v e rg o tf u l l yl o a d e da n dt h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mc o u l df u l f i l ld a t aa c q u i s i t i o ni nr e a l - t i m e e a c hm o d u l em e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dg u a r a n t e e sf u r t h e rd e v e l o p m e n t o ft h ed i r e c t l yd i g i t a lp a n o r a m i cr a d i o g r a p h ys y s t e mb a s e do nt d i - c c d k e y w o r d s ：t d i c c d ；c o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n g ；a d ；f i f o ；u s b 2 0i n t e r f a c e i i i 北京1 = 业大学 = 学硕十论文 目录 目录 摘要一：i a b s t r a c t i i 第1 章绪论一1 1 1 全景曲面断层成像系统数字化意义1 1 2 全景曲面断层成像数字化系统的发展现状1 1 3 课题的研究目的及意义2 1 4 全景曲面断层成像系统的数字化改造方案3 1 4 1 全景曲面断层成像原理简介一3 1 4 2t d i c c d 工作原理简介4 1 4 3u s b 总线概述6 1 4 4 数字化改造方案一9 1 4 5 主要研究内容1 0 第2 章t d i c c d 驱动模块设计11 2 1t d i c c d 芯片简介。11 2 2t d i c c d 驱动电路设计1 2 2 2 1 驱动脉冲时序设计1 2 2 2 2 驱动脉冲调理电路1 2 2 2 3 驱动电路供电模块设计13 2 2 4 驱动电路p c b 印制电路板设计15 2 3t d i c c d 驱动电路实验结果1 7 2 4 本章小结1 8 第3 章相关双采样模块设计19 3 1t d i c c d 输出信号噪声分析。1 9 3 2 相关双采样原理2 l 3 3 相关双采样电路设计2 1 3 4 本章小结2 3 第4 章基于u s b 2 0 的数据采集模块设计2 4 4 1 数据采集系统框图2 4 j e 京t 业大学t 学硕十论文 4 2 基于u s b 2 0 的数据采集系统的硬件设计2 4 4 2 1a d 转换电路设计2 4 4 2 2f i f o 存储电路设计。2 7 4 2 3 控制脉冲电路设计2 8 4 2 4u s b 2 0 接口电路设计2 8 4 2 5 基于u s b 2 0 的数据采集系统p c b 电路设计：3 2 4 3 基于u s b 2 0 的数据采集系统的软件设计3 3 4 3 1u s b 2 0 接口的开发3 3 4 3 2 数据采集电路控制信号设计：。4 3 4 4 数据采集实验4 6 4 4 1 实验步骤及内容4 6 4 4 2 实验结果4 7 4 5 本章小结4 8 总结与展望5 1 参考文献一5 3 攻读硕士学位期间完成的学术论文5 7 致谢5 9 2 第1 章绪论 1 1 全景曲面断层成像系统数字化意义 全景曲面断层x 线机由组合式x 线机头( 含高压变压器和x 线管) 、头颅固 定装置、胶片架、旋转机构、支持部分、电路控制等部分构成，如图1 1 所示。 全景曲面断层摄影是根据口腔颌面部的解剖特点，利用体层摄影和狭缝摄影原理 而设计的固定三轴连续转换的体层摄影技术【1 2 】，在进行全景曲面断层x 线摄影 时，x 线源和接收器都在人体外部，x 线源和接收器围绕人体头部旋转1 2 0 度， 对全口牙进行拍摄，最后可以得到全口牙齿、牙周组织及相邻解剖结构的体层摄 影图像【3 4 1 。 巍戮瀚 f ， i ： 轧! ? 囔 j 秘删警 图1 - 1 全景曲面断层x 线机【5 1 f i g 1 - 1p a n o r a m i cr a d i o g r a p h i ci m a g i n gs y s t e m 传统胶片成像具有很明显的缺点：x 射线的辐射量大，不利于使用计算机对 图像进行后处理，显影、定影等化学处理过程会造成环境污染等。 利用数字化的x 线曲面断层摄影设备的时间分辨率显著提高，曝光后几秒 内即显示影像，提高了工作效率，不仅能减少患者受x 线照射的辐射量，并且 免去了暗室操作，大大缩短了病人的候诊时间；计算机的存储功能可以有效的保 证临床上口腔疾病资料收集的完整性，为及时准确的图像分析和处理提供了可靠 保障：数字化摄影的后处理技术分析，使曲面断层片、头影测量片数字化x 线 影像具有更大的对比度范围，影像层次更加丰富，图像更趋于真实，对上、下颌 骨病变的部位、大小、形态、密度、亮度及对比度的测量与调节更准确，为制定 治疗方案提供了可靠的依据，提高了诊断掣昏1 0 】。 因此，将传统胶片式x 射线全景曲面断层成像系统改造为数字化成像系统 是口腔医学影像面临的重大问题。 1 2 全景曲面断层成像数字化系统的发展现状 对全景曲面断层摄影的数字化方式主要有计算机x 线摄影( c o m p u t e d 北京下业大学 二学硕十论文 r a d i o g r a p h y ，c r ) 方式和直接数字x 射线摄影( d i r e c td i g i t a lr a d i o g r a p h y ，d d r ) 方式【2 1 。2 0 世纪9 0 年代以前，全景曲面断层摄影一直停留在胶片成像水平【2 1 。 1 9 8 2 年m o u y e n 与法国t r o p h y 公司推出了第一支口内x 线探测器 ( r a d i o v i s i o g r a p h y ，r v g ) 1 1 】，用于口内x 线摄影，它是第一代d r 设备，标 志着牙颌面x 线成像数字化时代的开始。1 9 9 6 年，这一技术由德国s i r o n a 公司 首先应用于全景曲面断层成像中【1 2 】。与其它通用的大型d r 设备不同，电荷耦合 器件( c h a r g e dc o u p l ed e v i c e ，c c d ) 是牙颌面d r 最常用的x 线探测器材料，几 乎所有的全景曲面断层x 线探测器均采用线阵式c c d ”。18 1 。 目前，数字化全景曲面断层口腔成像技术在国外发展比较成熟，国外的一些 知名医疗仪器公司都拥有自主研发的数字化全景曲面断层口腔x 线成像产品， 其中较著名的包括：f u j ic r 系统( 日本f u j i 公司) ；森田口腔数码全景机牙片 机( 日本m o r i t a 公司) ；k o d a k8 0 0 0 c 数字全景及测颅系统( 日本k o d a k 公 司) ；s i d e x i s 系统( 德国s i m e n s 公司) ；s i r o n a 数字化全景x 光机( 德国s i m e n s 公司) ；d i g o r a 系统( 芬兰s o r e d e xo r i o n 公司) ；普兰梅卡p r o m a x 全景x 光机 ( 芬兰p l a n m e c a 公司) ：r a d i ov i s i og r a p h y 系统( 法国t r o p h yr a d i o l o g i e 公司) ； s e n s a - r a y 系统( 瑞典r e g a r nm e d i c a ls y s t e m 公司) ；d o n o p t i x t m 系统( 美国 d e n t s p l y 公司) 等等【l 引。 目前，有许多公司为全景曲面断层成像产品的数字化升级提供了多种方案。 例如日本的柯达公司c r 7 4 0 0 系统，采用数字放射成像系统中的具有自动擦除功 能的口成像板，实现全景片、头颅片、口内各种尺寸片各种口腔影象胶片的数 字化升级。芬兰i n s t r u m e n t a r i u md e n t a l 公司的o c 2 0 0 全景x 光机，可通过先进 的c c d 感应器升级为直接数字化成像系统o c 2 0 0 d 。美国s c h i c k 公司可以为多 个公司生产的多种机型的模拟全景x 光机提供数字化改造模件，它使用了较 c c d 更高级的a p s 传感器，该传感器具有更低的功耗、更低x 光照射剂量以及 更高的分辨率等特点，能够直接输出图像的数字信号。 目前国内的全景曲面断层x 线机生产厂家还没有直接出厂的数字化机型。 北京万东医疗装备公司生产的全景x 光机将数字化升级作为选配件，提供设备 出厂时数字化或后期数字化升级的服务。另外，国内一些公司也采用引进国外核 心部件自行组装的方式进行生产。例如天津市耀辉光电技术有限公司和天津市琦 瑶科技发展有限公司这两家公司，均自主研发了各种线阵c c d 驱动模块和c c d 数据采集卡( p c i 、u s b ) ，以配合其选用的c c d 生产出数字相机。 1 3 课题的研究目的及意义 本研究的目的是采用c c d 传感器代替原有的胶片接收x 射线信息，并设计 相应的图像采集电路系统和图像后处理软件，在不改变原有x 射线发生系统和 机械部件的基础上，实现传统胶片式全景齿科成像设备的数字化升级，充分利用 第1 章绪论 数字化成像系统的优势。 目前国内的全景曲面数字成像系统设备大多数需要从国外进口，国内还没有 生产商能够自主生产齿科全景曲面体层x 线数字成像系统。因此具有价格高、 维修不便、使用维护费用昂贵等诸多缺点。另外，国内公司进口国外核心部件自 行组装的生产方式具有产品稳定性低、维修困难等缺点。因此，对于医院来讲， 如果想对原有胶片式全景曲面断层成像系统进行数字化升级，主要采取进口国外 产品或者购买国外生产商对设备的升级方案，但进口产品价格较高，仅仅适合一 些大中型医院，而一些中小型医院的全景口腔x 线成像系统仍以胶片为主【1 2 2 0 。2 2 】。本研究设计的数字化全景曲面成像系统可以作为国内全景曲面断层x 线机 生产厂家的配套设备，提供给厂家，生产全数字机型。也可以直接对医院现有的 全景口腔x 线成像系统设备进行数字化的升级，降低医院的成本。 1 4 全景曲面断层成像系统的数字化改造方案 1 4 1 全景曲面断层成像原理简介 断层摄影技术【3 】是得到物体某一层面图像的一种成像方法，其原理就是通过 射线源和成像底板的相对运动，保证断层平层面上的每一点都投影在成像底板的 固定位置上，而其它层面上的点则扩展为或长或短的线段。因此，断层成像技术 中，当x 射线源和底板以一定的速度比向相反的方向运动时，特定断层平面及 其临近各处会在底片上呈现清晰的影像，而距离断层水平面较远处的物体结构的 影像则扩散成为模糊的背景。 全景曲面断层摄影技术是x 线源与底片的运动方式为弧线的断层摄影技术， 为口腔x 线摄影所采用的技术。其基本思想还是保证断层平层面上的每一点都 投影在成像底板的固定位置上。 确一厂、 l f ) ， 一 1 - 3巴 乜 ui 图1 2 全景曲面断层摄影技术原理示意图 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo fp a n o r a m i cr a d i o g r a p h i ci m a g i n gs y s t e m 如图1 2 所示，圆盘0 2 和0 1 的边沿每隔9 0 。的位置分别放置了编号为1 到4 的盒子和小球，工人只能站在两个圆盘距离最近的地方将小球放入盒中。当 1 号球放入1 号盒之后，为了使得2 号盒和2 号球同时到达工人所在的位置，需 要将圆盘0 1 和0 2 向图中所指的相反方向以同样的角速度转过9 0 。 北京t 业大学1 = 掌颂士论文 人的颌部基本呈半圆形，实际应用中，将其置于0 1 圆盘的位置处，胶片则 弯曲成半圆形置于0 2 圆盘处，x 射线以贯穿0 1 0 2 方向照射。同时，为了方便， 固定病人( 即圆盘0 1 ) 不动，而将x 射线源和胶片所在的0 2 圆盘以0 1 圆心 为轴心同向同步转动，保证x 射线扫描牙齿的同时，始终以贯穿0 1 0 2 方向照 射。这期间，0 2 圆盘自身也要以同样的角速度向同样的方向转动，保证固定位 置上的“盒子”能够装到与其对应的固定位置上的“小球”，即保证不同位置的 颌部的像投影在胶片的固定的位置上。 由于x 射线呈锥形辐射，投影在胶片上的影像并不是点对点，而是有一定 程度的放大，因此，使用时还在胶片和颌部之间设置了铅板狭缝，使胶片在转过 狭缝期间才能曝光，对与胶片同步转过狭缝的部分进行投影，从而保证了在不太 放大的有限范围内的胶片和被投影物体的同步运动。一般，狭缝板的宽度为6 至 1 0 m m 。示意图如图l 一3 所示。 图1 - 3 曲面断层摄影技术原理酣3 1 f i g 1 - 3p r i n c i p l eo fp a n o r a m i cr a d i o g r a p h i ci m a g i n gs y s t e m 1 4 2t d i c c d 工作原理简介 典型线阵c c d 的结构示意图如图1 4 所示。灰色部分的感光区为一行光 敏阵列，最下端的存储区为水平移位寄存器。中间的转移栅将感光区和存储区分 开，通过对转移栅的控制可以将一帧图像所对应的电荷由感光区转移到存储区。 感光区中的光敏单元经过一定时间的曝光后，在相应驱动脉冲的作用下，信号转 移至存储区的移位寄存器中。然后感光区和存储区再次被分开，在感光区进行又 一次的曝光，而在存储区中，驱动信号控制移位寄存器逐一的将上一帧信号输出。 如此往复进行，得到所需要的图像信息。 感光 转移栅 存储 图1 _ 4 典型线阵c c d 的结构示意图 f i g 1 - 4t h es t r u c t u r eo ft y p i c a ll i n e rc c d 输出端 ，j | | | i 目捧工目? 国目 - + 行方向 第一个 积分周期 第二个第三个 积分周期积分周期 第四个 积分周期 图1 - 5t d i c c d 工作原理 f i g 1 - 5t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t d i - c c d 小球在沿着c c d 列方向( 即级数方向) 的推扫成像过程中，在第一个积分 周期内，目标在该列的第一个像元处进行曝光积分，得到的光生电荷并不像普通 c c d 一样进行读出，而是沿级数方向下移一个像元。在第二个积分周期内，目 标恰好移动到该列的第二个像元进行曝光积分，得到的光生电荷与上一个像元移 来的电荷相加后，再移到下一个像元，直到第4 个积分周期时，目标己移到 该列的第4 个像元处，进行曝光积分。第4 个积分周期结束时，第4 个像元的光 生电荷与前3 个像元的电荷相加后移入存储区的读出寄存器，并像普通c c d 器 件一样，沿行方向进行读出。可见，当延迟积分的级数为m 时，读出的电荷是 单个像元的m 倍，而噪声只增加了俯倍，信噪比提高了丽倍，因此，在积分 周期相同( 行扫描频率相同) 时，t d i c c d 的灵敏度比普通c c d 器件高得多。 总结一下t d i c c d 的工作方式：t d i c c d 的一个工作周期分为光积分阶段 和电荷转移两个阶段。在光积分阶段，不发生垂直方向的电荷转移，感光区内的 像元进行电荷积累，而在水平移位寄存器组成的存储区中，上一帧信号在水平驱 动脉冲的作用下向串行输出端按顺序依次转移电荷，并在复位脉冲的作用下由输 出端输出。复位脉冲同时清除水平移位寄存器中的残余电荷，防止对下一帧电荷 信号造成干扰。在电荷转移阶段，积分阶段在感光区形成的电荷信号在垂直转移 脉冲下并行地在垂直移位寄存器中进行转移，而相对较早的一帧电荷信号则转移 到水平移位寄存器中。这个过程中，水平转移脉冲暂不工作，输出端没有有效信 号输出。 综上，t d i c c d 能够在相对普通线阵c c d 较低的x 线照射强度下，利用积 北京工业大学t 学硕士论文 分延迟操作的信号累积效果，在不牺牲空间分辨率、不影响像素输出频率条件下， 提高灵敏度，获得高质量清晰的图像信息，适合对移动物体的x 线投影成像 1 4 3u s b 总线概述 ， u s b 是通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 是1 9 9 5 年康柏、 微软、i b m 、n e c ) 等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通 信标准。通用串行总线u s b l 0 标准发表于1 9 9 6 年1 月，支持低速模式f u l ls p e e d 1 5 m b s 数据传输。u s b l 1 则在1 o 版本的基础上进行修订，支持全速模式h i 曲 s p e e d1 2 m b s 数据传输，并且新增一个新的传输类型( 中断输出) 。u s b 2 0 版本 规范于2 0 0 0 年4 月2 7 日正式对外发布，除兼容u s b l 1 外，新增了高速传输模 式，较原来增进了3 0 倍的传输速率，达到4 8 0 m b s 。u s b3 0 标准正式完成并发 布于2 0 0 8 年1 1 月，也就是超高速模式s u p e rs p e e d ，最大传输带宽高达5 0 g b s 。 u s b 2 0 协议 2 5 共十一章，主要规定了u s b 的系统结构、机械及电气特性、 传输类型、数据格式、设备框架、主机、集线器等方面的内容。 1 u s b 的系统结构 u s b 的系统结构主要包括“u s b 主机 、“u s b 设备”以及“u s b 物理连接” 三个部分。一个u s b 系统中仅有一个u s b 主机，主机是一个提供u s b 接口及 接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体；u s b 设备包括u s b 功能设备和 u s bh u b 网络集线器，最多支持1 2 7 个设备；u s b 物理连接即指的是u s b 设 备和主机之间进行连接和通信的操作。 2 u s b 设备 在u s b 设备中，包含了设备、配置、接口和端点4 个层次。每个u s b 设备 可以包含一个或多个配置( c o n f i g u r a t i o n ) 控制其行为，不同的配置使设备表现 出不同的功能组合，一般在使用设备时，仅仅设置一个配置和接口，需要根据数 据传输的实际情况来选择使用哪个端点；配置则是由多个接口( i n t e r f a c e ) 组成 的；接口则是由管道( p i p e ) 组成，代表一个基本的功能，是u s b 设备驱动程 序控制的对象，一个功能复杂的u s b 设备可以具有多个接口；管道则是和u s b 设备的端点( e n d p o i n t ) 对应；端点是u s b 通信的最基本形式，每一个u s b 设 备接口在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点与设备进行通信以使 用设备的功能，每个端点都有一定的属性和唯一的地址，都包含有输入端点和输 出端点。在固件程序设计中，u s b 设备、配置、接口和端点都有相应的描述符 进行设置。 3 u s b 数据传输类型 u s b 支持四种基本的数据传输模式：控制传输，中断传输、等时传输及批 量传输。其中批量传输和同步传输适用于传输大量的数据。 控制传输：支持外设与主机之间的控制，状态，配置等信息的传输，为外设 第1 章绪论 与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设 之间就可以传送配置和命令状态信息。端点0 通常为控制端点，只能配置为控 制传输类型的管道。用于设备初始化参数等。只要设备连接到u s b 上并且上电 端点0 就可以被访问。 中断传输：支持与主机间小量的数据传输，无周期性，但对响应时间敏感的 设备，例如像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备。 等时传输：u s b 协议为同步传输保证了总线带宽，使其按准确的传输速率 传输数据，支持有周期性的、有限的时延和带宽，并且数据传输速率不变的外设 与主机间的数据传输，等时传输信息包在高速方式时可以达到1 0 2 4 字节。但是 为了保证传输的及时性，该传输类型放弃了差错控制和重试机制，故不能保证正 确的数据传输。等时传输中，每l m s 发生一次s o f 中断，而一次中断加载的数 据有限，且考虑到数据装载的单片机指令较长，大大降低了传输速度。 批量传输：批量传输采用差错控制和重试机制保证了数据传输的准确性和可 靠性，批量传输在高速方式时以5 1 2 字节信息包传输。但是，只有在u s b 总线 空闲的时候，批量传输才会以很快的速率传输。而当u s b 总线带宽紧张时，自 动让出自己占用的帧时间，而本身的数据传输的时间会被延长。批量传输支持打 印机，扫描仪，数码相机等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，u s b 在 满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。 4 u s b 设备请求 不同的传输类型在物理上并没有太大的区别，只是在传输机制、主机安排传 输任务、可占用u s b 带宽的限制和最大包长度这几个方面有一定的差异。如上 所述，u s b 设备通过管道和主机进行通信，在默认控制管道上接受并处理三种 类型的请求： 标准请求：一共有1 1 个，如得到设备描述、设置地址、得到配置描述等， 所有u s b 设备均应支持这些请求。主机通过标准请求来识别和配置设备。 类请求：u s b 还定义了若干个子类，如h u b 类、大容量存储器类等。不 同的子类又定义了若干类请求，该类设备应该支持这些类请求。设备所属类在设 备描述符中可以得到。 厂商请求：这部分请求并不是u s b 规范定义的，而是设备生产商为了实现 一定的功能而自己定义的请求。设备生产商可以根据需要，实现特定的u s b 设 备功能。 5 u s b 总线的电气接口 u s b 总线的电气接口有四根引线，分别为电源、d + 、d 一和地。其中，d + 和d 一是数据线，u s b 总线上的数据信号以差分的方式进行传输。u s b 设备 可以从总线上获取电源，电源的输出电压为+ 5 v ，通常能够为u s b 设备提供最 北京丁业大学工学硕十论文 大5 0 0 m a 的供电电流。当设备负载超过了最大供电电流时，必须另外配置电源 供电。 与传统的数据采集卡( 如p c i 卡、i s a 卡、4 8 5 卡) 相比，u s b 接口具有速 度快、即插即用、热插拔、接口体积小巧、节省系统资源、连接灵活、成本低、 性能可靠、兼容性良好、从系统获取电源为外设供电等多种优点。经过实际应用， 证明u s b 接口在测量仪器中确实是简单方便和低成本的互连技术，它在数据采 集系统取得了令人瞩目的成果【26 l 。因此，被广泛应用于目前的p c 外围设备中， 用于实现基于u s b 2 0 的实时、高速、低功耗、中小型化的数据采集系统，例如 生理参数监护系统、医学图像采集系统和医学视频采集系统等【2 7 之9 】。在数字化x 射线成像中，u s b 也被广泛使用【3 0 。2 1 。 一 课题组选用的t d i c c d 的输出是两路频率为2 m h z 信号，采用两通道的a d 芯片，要求其工作速度为2 m s s ，可以对两路t d i c c d 的输出信号进行采样并 以一路信号输出，f i f o 存储器的工作频率要达到4 m h z 。对于u s b 接口的传输 速度，可以计算出其所需的最高的传输速率为2 1 6 b i t 5 0 0 n s = 6 1 m b s 。因此，在 设计的t d i c c d 的数据传输系统中，选择u s b 2 0 协议、高速模式作为系统接 口进行设计。u s b 2 0 通常所指的传输速率是指总线在传输数据是所采用