автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Перестраиваемые устройства сопряжения датчиков на рентгеночувствительных ФПЗС с ПЭВМ

На правах рукописи

ШЕРХАЛОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ ДАТЧИКОВ НА

РЕНТГЕНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФПЗС С ПЭВМ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

РГб од

23 онт 2т

А в т о р с ф с р а г диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук-

Автор:

Москва-2000

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Стенин В. Я.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шилин В. А. кандидат технических наук, Бобков С. Г.

Ведущая организация:

ГНЦ «ГосНИИ Физических Проблем»

Защита состоится " /Г" 2000г. в _ час. _ мин. на заседании

специализированного совета К053.03.03 в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: 115409, г. Москва, Каширское ш., д. 31, тел. 323-91-67

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИФИ Автореферат разослан " " С У)?. 2000г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент ОшьЩ'СМ^Ь В.М. Онищенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТБ1

Диссертация посвящена развитию методики построения перестраиваемых устройств сопряжения датчиков сигналов на рентгеночувствительных ФПЗС и ПЭВМ, а также алгоритмов обработки изображений произвольного формата в преобразователях сигналов рентгеновского диапазона.

Актуальность проблемы. Датчики сигналов на фоточувствительных приборах с зарядовой связью (ФПЗС) обладают высоким пространственным, временным, энергетическим разрешением и надежностью. Такие датчики используются во многих отраслях народного хозяйства. Еще на ранних стадиях развития ПЗС-технологии (в 1977 году) проводились исследования по использованию ФПЗС для регистрации рентгеновских сигналов. Эти исследования положили начало нового направления в области применения ФПЗС - использование ФПЗС в качестве датчика рентгеновского излучения при медицинских и биологических исследованиях и неразрушающем контроле. В настоящее время, имея лучшие параметры, чем применяемые рентгеновские фотопленки, в сочетании с возможностью оперативного ввода информации в компьютер, ФПЗС повсеместно вытесняют рентгеновские фотопленки.

Большой вклад в нашей стране в развитие физических основ проектирования ФПЗС внесли Шилин В.А., Пресс Ф.П., Скрылев A.C. Проектирование, технология изготовления интегральных схем с зарядовой связью отражено в работах Кузнецова Ю.А., Скрылева A.C. Заметный вклад в изучение и решение проблемы радиационной стойкости полупроводниковых приборов внесли Ухин H.A., Ладыгин Е.А., Першенков B.C., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Вопросы совместного использования ПЗС с ПЭВМ рассматривались в работах Егоровой С.Д., Тишина Ю.Н., Колесника В.А.

Для ввода сигнала с датчика рентгеновского излучения в ПЭВМ применяются устройства сопряжения, которые обрабатывают сигнал ФПЗС, преобразовывают его в цифровой код и передают его в ПЭВМ для обработки, анализа и хранения.

До последнего времени теме разработки отдельных устройств сопряжения не уделялось большого внимания. Устройства сопряжения присутствовали в научных установках и промышленных системах как неразрывная часть всего комплекса в целом, и, если для исследовательских задач был использован новый датчик на основе ФПЗС другого формата или типа, устройство сопряжения для нового датчика разрабатывалось заново.

При вытеснении ФПЗС передающих электронно-лучевых трубок из телевизионной техники началось широкое применение ФПЗС в датчиках, на выходе которых телевизионный

сигнал. Принятие международным сообществом общих стандартов видеосигналов PAL, SECAM, NTSC, S-video и развитие компьютерной техники дало новый толчок в области разработок устройств сопряжения. Отдельный класс устройств сопряжения составляют устройства сопряжения, которые разрабатывались, ориентируясь не на конкретную модель ФПЗС и область ее применения, а на обработку и ввод в компьютер исключительно видеосигнала определенного стандарта. Вместе с тем, многие датчики на ФПЗС работают в режимах, отличных от стандартных, и их выходной сигнал отличается от стандартного видеосигнала: это радиотелескопы, где время накопления несоизмеримо больше, чем время считывания; регистраторы быстропротекающих процессов, время накопления которых в' несколько раз меньше времени считывания; радиовизиографы, считывающие одиночные кадры изображения; рентгенографические аппараты, чувствительная часть которых состоит из гибридных сборок ФПЗС, а число элементов разложения достигает нескольких миллионов; детекторы на основе линеек ФПЗС, «кадр» изображения которых составляет только одну строку. При проектировании таких устройств необходимо было в каждом случае производить разработку нового устройства сопряжения.

Несмотря на относительно большое количество публикаций по вопросам проектирования и применения устройств сопряжения датчиков сигналов на ФПЗС, специфика построения перестраиваемых устройств сопряжения в научно-технической литературе практически не рассмотрена. Недостаточно внимания уделено, по мнению автора, практической реализации принципов адаптивности и многофункциональности устройств сопряжения, развитию и формализации методики проектирования устройств сопряжения для ввода в компьютер видеосигнала произвольного формата с рентгеночувствительных датчиков ФПЗС разных типов, которые могли бы функционировать как с линейными ФПЗС, так и с матричными ФПЗС, и поддерживали бы работу с датчиками ФПЗС в непрерывном, телевизионном и ждущем режиме.

Цель работы заключается в научном исследовании, направленном на развитие и формализацию схемотехнических и алгоритмических методов и способов построения перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения для преобразования и ввода сигнала в компьютер с рентгеночувствительных датчиков на основе ФПЗС разных типов.

Состояние вопроса определяет необходимость:

1. Провести анализ методов и схемотехнических решений построения устройств сопряжения для преобразования и ввода в компьютер сигнала с датчиков на

рентгеночувствительных ФПЗС, определение параметров, которые должны учитываться при проектировании перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения.

2. Провести исследования характеристик рентгеновского изображения, направленные на определение параметров тракта аналого-цифрового преобразования. Провести исследование способов построения и характеристик узлов устройств, ориентированных на обработку композитного видеосигнала. Выделение управляющих импульсов из композитного видеосигнала. Определить необходимость и достаточность набора синхронизирующих сигналов для преобразования и ввода информации в ПЭВМ без потери или искажения данных. Провести исследование пределов применимости способов выделения и генерации управляющих синхроимпульсов при входном композитном видеосигнале для определения пределов использования в преобразователях рентгеновского изображения датчиков на ФПЗС с выходным композитным видеосигналом.

3. Провести исследования структурно-схемотехнических решений перестраиваемых (адаптивных) устройств сопряжения для преобразования и ввода в ПЭВМ видеоинформации, поступающей с датчиков на рентгеночувствительных ФПЗС для определения областей применения различных алгоритмических решений при построении преобразователей рентгеновских изображений и с целью наиболее полного использования буферной памяти устройства сопряжения.

4. Провести исследование способов и протоколов передачи цифровых данных от устройства сопряжения в ПЭВМ для разработки методики выбора интерфейса обмена данными между устройством сопряжения и компьютером с учетом решаемой задачи. Разработать рекомендации по применению перестраиваемых устройств сопряжения в телевизионных системах на основе рентгеночувствительного ФПЗС датчика произвольного формата.

Научная новизна работы.

1. Развита методика схемотехнического проектирования перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения, алгоритмы работы которых основаны на представлении в буферном ОЗУ кадра изображения в виде двумерного массива данных, позволяющая ускорить процесс проектирования перестраиваемых устройств сопряжения для ввода информации а ПЭВМ с датчиков на рентгеночувствительных- ФПЗС.

2. Разработаны алгоритмы обмена данными между датчиками на рентгеночувствительных ФПЗС и буферным ОЗУ устройства сопряжения, а также

устройством сопряжения и ПЭВМ, которые позволяют аппаратным способом адресовать массив данных (кадр изображения) для предотвращения искажения информации и более рационально использовать буферную память устройств сопряженйя.

Практическая ценность работы.

1. Разработана библиотека схем блоков для построения перестраиваемых устройств сопряжения с учетом используемого датчика рентгеновского изображения и области применения аппаратуры.

2. Предложены и обоснованы варианты алгоритмов опроса буферного ОЗУ устройства сопряжения, позволяющие автоматически определять формат кадра вводимого изображения для возможности использования в аппаратуре со сменными датчиками излучения.

3. Обоснована методика выбора интерфейса и протоколов обмена между устройством сопряжения и ПЭВМ, позволяющая согласовать устройство сопряжения и ПЭВМ с учетом области применения и схемотехнической реализации оборудования.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее управлять работой устройств сопряжения через параллельный порт ПЭВМ, обрабатывать и сохранять полученные данные.

Использование результатов работы.

Результаты работы по разработке перестраиваемых устройств сопряжения использованы при работе над детектором рентгеновского излучения на основе ИМС ШОО17А для стоматологических целей (ТОПЭК).

Результаты диссертации использованы в ОАО «Электроприбор» и при организации учебного процесса на кафедре №3 в МИФИ (подтверждено актами).

На защиту выносятся:

1. Алгоритмические методы разделения адресного пространства буферной памяти перестраиваемых устройств сопряжения для адресации многомерного массива информации аппаратным способом, которые позволяют без искажений вводить информацию, получаемую с датчика ФПЗС в ПЭВМ в устройствах, когда формат кадра априори неизвестен.

2. Состав базовых алгоритмов и схемотехнические решения блоков устройств сопряжения на основе метода разделения адресного пространства буферной памяти и

перестраиваемых счетчиков, позволяющих реализовать принципы адаптивности и многофункциональности устройств сопряжения.

3. Методика проектирования перестраиваемых устройств сопряжения для работы с рентгеночувствительными датчиками ФПЗС произвольного формата.

Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и одобрено:

- на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика -95", г. Москва, МИЭТ, 1995 г.;

- на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», г. Чебоксары, ЧГУ, 1996г.;

- на Межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика -97", г. Москва, МИЭТ, 1997 г.;

- на конференции студентов и молодых ученых, г. Москва, МИФИ, 1998г.;

- на конференции "Молодежь и наука", г. Москва, МИФИ, 1999г.;

- на научной сессии МИФИ-99, г. Москва, МИФИ, 1999г.;

- на международной конференции «Фотоника для транспорта», г. Прага, Чешская

республика, 1999 г.;

- на научной сессии МИФИ-2000, г. Москва, МИФИ, январь 2000г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, список которых приведен в конце реферата.

Объем и структура работы. Диссертация содержит 169 страниц печатного текста

(включая приложения), 50 рисунков, 8 таблиц, библиографию, включающую 138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор состояния вопроса.

Анализ методов построения, схемотехнических решений и характеристик устройств сопряжения для ввода в ПЭВМ информации с датчиков на рентгеночувствительных ФПЗС, выпускаемых серийно, а также разработанных и изготовленных в лабораториях в единичных

экземплярах, свидетельствует о тенденции увеличения количества разработок, направленных на создание устройств сопряжения для датчиков сигналов на ФПЗС. Развитие идет в направлении улучшения специализированных устройств сопряжения, ориентированных на работу с определенной моделью ФПЗС, и в направлении создания устройств сопряжения, ориентированных на ввод в персональный компьютер видеосигнала определенного стандарта или отдельных кадров изображения определенного формата. На основании анализа литературных источников проведено обобщение характеристик специализированных устройств сопряжения, являющихся неразрывной частью аппаратного комплекса по детектированию рентгеновского излучения и устройств сопряжения, ориентированных на-работу с видеосигналом определенного формата. В итоге можно сформулировать основные требования к преобразователям рентгеновского изображения:

1) максимальная информативность рентгеновского изображения (при минимально возможной поглощенной дозе излучения просвечиваемым объектом);

2) оптимальное преобразование рентгеновского изображения в оптическое, обеспечивающее получение максимума информации, содержащейся в рентгеновском изображении.

Сделан вывод о характеристиках перестраиваемых устройств сопряжения:

- возможность использовать в качестве источника сигнала рентгеночувствительный датчик на основе произвольной модели ФПЗС;

- работа в ждущем режиме;

- управление источником излучения;

- возможность передачи информации в компьютер для последующей обработки и хранения;

- возможность получения отдельных кадров изображения.

На основании вышеприведенных параметров предложена методика разработки перестраиваемых устройств сопряжения с требуемыми характеристиками, которая включает следующие этапы:

- выбор способа управления временем экспозиции;

- выбор элементов блока аналого-цифрового преобразования и синхронизации;

- выбор блока управления буферной памятью устройства сопряжения;

- выбор интерфейса обмена данными между устройством сопряжения и ПЭВМ;

- выбор элементной базы для изготовления устройства сопряжения;

- выбор программного обеспечения для обеспечения ввода и обработки информации в ПЭВМ.

Особенности обработки и аналого-цифрового преобразования рентгеновского сигнала.

Проведен анализ возможности использования источников с различными способами

возбуждения излучения и энергиями для различных научно-технических задач. При выборе источника излучения для исследований необходимо учитывать несколько противоречивых факторов. С одной стороны, необходимо иметь в виду, что не вся энергия излучения идет на образование заряда в фоточувствительных ячейках ФПЗС. Часть излучения поглощается затворами и диэлектриком. С ростом энергии излучения большая его часть пронизывает кристалл насквозь без образования электронно-дырочных пар, и согласно проведенным исследованиям детекторы на основе ФПЗС наиболее целесообразно применять для регистрации излучений с энергией 2-12 кэВ. С другой стороны, поток квантов излучения <р, прошедших сквозь исследуемый образец, определяется соотношением

где <ро - поток квантов излучения на входе исследуемого образца; х- толщина образца; ц -линейный коэффициент ослабления (определяется экспериментально). Прошедшее через контролируемый объект рентгеновское излучение ослабляется в различной степени, в случае неоднородности объекта и в зависимости от распределения плотности материалов в объекте.

Из формулы следует, что чем толще образец, тем меньше будет поток излучения на его выходе, и для достоверной регистрации излучения необходимо или увеличивать энергию падающего излучения, что ухудшает контраст изображения, или производить исследования за более длинный промежуток времени (увеличивать время экспозиции).

Рентгеновское изображение определяется как распределение интенсивности рентгеновского излучения, прошедшего через объект просвечивания в плоскости, нормаль к которой параллельна оси пучка падающего излучения. Для определения особенностей обработки рентгеновского изображения, поступающего с ФПЗС датчика, определены основные характеристики рентгеновского изображения, влияющие на его качество: контраст, интенсивность, квантовый шум, нерезкость. В соответствии с этими характеристиками и проведенным анализом выработаны рекомендации по параметрам блока аналого-цифрового преобразования и оптимизации условий проведения экспериментов.

Для тормозного спектра излучения диагностических рентгеновских трубок контраст изображения, с учетом того, что площадь тени локальной неоднородности просвечиваемой

пластины намного меньше площади рентгеновского изображения, определяется как:

к

к

где X - фактор накопления, характеризующий долю рассеянного излучения в потоке, прошедшем через поглотитель (зависит от материала и толщины поглотителя, энергии первичного излучения и геометрии просвечивания; если рассеянное излучение отсутствует, то К = 1); ftt и ¡лг • линейные коэффициенты ослабления материала образца и неоднородности соответственно; d - толщина локальной неоднородности. Из формулы следует, что контраст рентгеновского изображения тем выше, чем меньше доля рассеянного излучения и чем выше (u, -/J2)d.

При регистрации рентгеновского излучения, прошедшего через объект, датчиком' преобразователем рентгеновского изображения с площадью поверхности 5Д, чувствительной к из;?учению, выходной сигнал датчика будет пропорционален среднему числу квантов излучения, поглощенных датчиком за время накопления датчика тс. Среднее число квантов, эффективно поглощенных датчиком за время т в области фона изображения (без учета рассеянного излучения), пф = N¡¡е'"^ Sлг£ , где N„ - среднее число квантов, падающих на 1см2 датчика в 1с в отсутствие объекта; £ - коэффициент эффективного поглощения рентгеновских квантов в датчике, характеризующий долю квантов, которые внесли свой вклад в показания датчика, от общего числа упавших на него квантов. Среднее число квантов, поглощенных датчиком, который расположен в тени участка неоднородности просвечиваемого объекта (площадь тени полностью перекрывает площадь датчика), изменится на величину An = (jj, - цг )dn4,. Среднеквадратичная флуктуация числа

поглощенных в датчике квантов а = + An к ^¡^, при условии, что An «пф . Среднеквадратичная флуктуация сигнала о неоднородности объекта пропорциональна среднеквадратичной флуктуации величины An: ac=j2cr.

Квантовый шум может привести к тому, что сигнал датчика о неоднородности объекта окажется полностью подавлен шумом. Для уверенного обнаружения внутреннего строения просвечиваемого объекта по анализу рентгеновского изображения необходимо, чтобы среднее значение сигнала о неоднородности объекта в несколько раз превышало среднеквадратичную флуктуацию сигнала: An > рас, где р - пик-фактор шума; для практического применения р = 3 + 5.

Таким образом, необходимое для надежного обнаружения заданного контраста К = = -

пФ

рентгеновского изображения пф > .-

кр

Рентгеновские изображения являются малоконтрастными изображениями и, соответственно, их особенностью является малый динамический диапазон. Поэтому для преобразования сигналов рентгеновского изображения необходимо применение не менее, чем 8-и разрядных аналого-цифровых преобразователей. Это позволяет фиксировать почти незаметные визуально изменения яркостного сигнала и получать изображения не хуже, чем на рентгеновских пленках. Для повышения качества получаемых изображений необходимо исключить по возможности шумы, присутствующие в выходном сигнале датчика ФПЗС. С целью уменьшения полного шума детектора разработано устройство считывания, реализующее двойную коррелированную выборку выходных сигналов ФПЗС, с использованием которой полный шум детектора снижен. Так как большинство рентгеночувствительных ФПЗС датчиков работает в одиночном или в малокадровом режиме, то нет необходимости использовать сверхбыстродействующие АЦП для преобразования сигналов.

Предложены варианты управления источником излучения, а также исследовано влияние времени экспозиции на качество получаемого изображения. На их основе разработан алгоритм управления временем экспозиции, позволяющий избавиться от помех рентгеновского излучения негативно влияющих на ФПЗС во время выноса информации. Время действия источника излучения при этом 0,2 - 7с, что позволяет снизить уровень дозы облучения до 50% по сравнению с рентгеновскими фотопленками. Предложенное схемотехническое решение предотвращает смазывание изображения и исключает помехи, которые составляют «7,8% от максимального заряда, который может накопиться в ячейке ФПЗС.

Рассмотрена возможность использования в качестве датчика рентгеновского излучения ФПЗС видеокамеры с выходным композитным видеосигналом. Предложены

схемы выделения синхронизирующих сигналов из композитного видеосигнала. В связи с тем, что информация, содержащаяся в композитном видеосигнале, не содержит сведений о количестве элементов в строке кадра изображения, необходимо производить дополнительно формирование тактовых импульсов, с частотой которых будет производиться аналого-цифровое преобразование видеосигнала. Разработана схема генерации тактовых синхронизирующих импульсов. В качестве блоков устройства сопряжения, можно

использовать устройство выделения синхросигналов из композитного видеосигнала и устройство формирования тактовых синхроимпульсов на основе делителя с фиксированным ' коэффициентом деления, при этом возможны искажения видеоинформации, связанные с тем, что информация об источнике видеосигнала недоступна. Сделан вывод о единственности варианта синхронизации в устройствах с привязкой к координате, когда АЦП работает с частотой регистра выноса ФПЗС. Только тогда достигается наилучшее качество преобразования с точки зрения обеспечения "жесткой" геометрии получаемых изображений и исключения искажений информации. Проведено исследование пределов применимости таких датчиков в аппаратуре. Исследованы пределы применимости различных типов АЦП в • перестраиваемых устройствах сопряжения.

Устройство сопряжения с промежуточной записью видеоданных.

Устройство сопряжения должно содержать буферную память для промежуточной записи информации. Буферная память устройств сопряжения строится на микросхемах ОЗУ. При реализации схемы в качестве ОЗУ можно применять как микросхемы ЗУПВ статические или динамические, так и микросхемы регистровых ОЗУ (FIFO, LIFO). Ограничение по применению регистровых ОЗУ накладывает возможность хранения небольшого объема информации.

Проведен анализ пределов применимости способа хранения кадра изображения в

буферной памяти устройства сопряжения в виде одномерного массива, используемого для записи кадра известного формата. Показано, что использование такого способа неприемлемо, когда информация о параметрах кадра изображения априори не известна.

Для размещения информации в буферной памяти устройства сопряжения разработан метод разделения адресного пространства буферной памяти устройства сопряжения для адресации двумерного (кадра изображения) массива информации. Предложено записывать кадр изображения в буферное ОЗУ в виде двумерного массива отсчетов (см. рис.1). Координата X будет соответствовать номеру отсчета в строке ФПЗС, а координата У -номеру строки в кадре. Информацию о конце строки несет строчный импульс. Информацию о конце кадра несет кадровый импульс. На основе предложенного метода разделения адресного пространства разработана функциональная схема устройства, реализующего такой метод (рис.2), и разработаны универсальные алгоритмы обмена данными между датчиком

ФПЗС

УУ

РВ

Видеосигнал -►

и

ТАКТ

АЦП

СТРОКА

КАДР

Разрешение считывания из ОЗУ

ШД

Счетчик

тактовых импульсов

ША(х)

Счетчик к строчных импульсов

ША(у)

Буферное ОЗУ

ЯЛУ

Рис.2. Блок-схема устройства сопряжения, реализующая метод разделения адресного пространства ,

буферного ОЗУ

изображения и устройством сопряжения (рис.За), а также устройством сопряжения и ПЭВМ (рис.Зб). На рис.2 введены следующие обозначения: РВ — выходной регистр ФПЗС; УУ -

устройство управления; ШД - шина данных; ША(х) - шина адреса, определяющая адрес ячейки памяти в соответствии с номером отсчета в строке; ША(у) - шина адреса, определяющая адрес ячейки памяти в соответствии с номером строки в кадре; ТАКТ - сигнал выноса из РВ; СТРОКА - строчный синхросигнал; КАДР - кадровый синхросигнал; 11т -

вход сброса счетчиков тактовых импульсов; Rc - вход сброса счетчиков строчных импульсов; R/W - вход селектора чтения/записи буферного ОЗУ.

Метод, подобный методу адресации информации в виде двумерного массива данных, применим для адресации трехмерного массива информации (последовательности кадров изображения). Координата X будет соответствовать номеру отсчета в строке ФПЗС, координата Y - номеру строки в кадре, а координата Z - номеру кадра в считываемой последовательности кадров. Количество записываемых кадров определяется оператором или

Рис.3.

а) б)

Блок-схемы алгоритмов записи а) и считывания б) информации из буферной памяти устройства

сопряжения

а) 6)

Рис 4. Блок-схемы алгоритмов записи а) и считывания б) данных адаптирующихся к формату вводимого

изображения

емкостью используемого в конкретном случае ОЗУ. Применяя предложенный метод разделения адресного пространства буферного ОЗУ. возможна запись в ОЗУ многомерного массива информации. В этом случае каждому из измерений многомерного массива информации должны соответствовать синхронизирующие импульсы. На основе предложенного метода разделения адресного пространства буферной памяти разработаны универсальные алгоритмы обмена данными между датчиком изображения и устройством сопряжения, а также устройством сопряжения и ПЭВМ.

Предложенные алгоритмы являются универсальными. Имея тактовый, строчный и кадровый сигналы, с помощью предложенных алгоритмов можно записать в буферную память изображение в цифровом виде как массив данных и затем без искажений считать информацию в ПЭВМ. Рассмотрены пределы применимости разработанных алгоритмов. На

основе предложенных универсальных алгоритмов разработана библиотека схемотехнических решений блоков устройств сопряжения.

Устройства сопряжения, адаптирующиеся к формату кадра.

На основании' ограничений применимости универсальных алгоритмов обмена данными и с учетом последовательности записи кадра в буферное ОЗУ (на рис.1 эта последовательность показана пунктирными стрелками) разработаны алгоритмы записи информации в буферное ОЗУ и считывания информации из устройства сопряжения в ПЭВМ, адаптирующиеся к формату вводимого изображения (см. рис.4). Их преимущества перед универсальными алгоритмами, не адаптирующимися к формату вводимого изображения, • заключающиеся в том, что устройство сопряжения не требует вмешательства оператора при смене датчика изображения и только в случае можно быть уверенным в том, что на экране ПЭВМ полностью отображен полученный кадр изображения и нет информации являющейся

ФПЗС |

РВ

УУ

Видеосигнал

и

ТАКТ

АЦП

шд

СТРОКА

Один разряд счетчика

УК

Один разряд счетчика

ША(х)

УК

Один разряд счетчика

УК

Один разряд счетчика

УК

Один разряд счетчика

ША(у)

УК

Один разряд счетчика

Буферное ОЗУ

Рис. 5. Функциональная схема устройства сопряжения с перестраиваемыми счетчиками

частью другого кадра или шумом. Рассмотрены пределы применимости разработанных алгоритмов. На основе предложенных алгоритмов, адаптирующихся к формату вводимого изображения, разработана библиотека схемотехнических решений блока адресации устройства сопряжения. На основе схемотехнических решений разработан макет устройства сопряжения, позволяющий вводить в ПЭВМ кадры изображения форматом до 1040 х 1160.

Устройства сопряжения с перестраиваемыми счетчиками.

В рассмотренных выше алгоритмах параметры (ограничения) по формату записываемого кадра изображения задаются при проектировании устройства сопряжения. При разработке устройств сопряжения задается количество адресных линий, которые будут далее использоваться для адресации каждого направления многомерного массива информации. На основании ограничений применимости универсальных алгоритмов обмена данными и алгоритма, адаптирующихся к формату вводимого изображения, разработано устройство сопряжения с использованием счетчиков с перестраиваемой разрядностью (см. рис.5). Проведенные исследования алгоритма показывает, что при использовании счетчиков с перестраиваемой разрядностью в устройствах сопряжения эффективность использования буферной памяти устройства сопряжения может быть увеличена не менее, чем в два раза, при использовании метода разделения адресного пространства буферной памяти устройства сопряжения. При разработке устройства сопряжения с перестраиваемыми счетчиками использовались счетчики, отдельные каскады которых строились на основе О-триггеров. На основе предложенного алгоритма разработаны схемотехнические решения отдельных каскадов и блоков отдельных каскадов перестраиваемых счетчиков (см. рис.6).

Выход каскада N-1

КАДР

—' Устройство | р J коммутации 1

О

С

М-мй каскад

хо МБ

Х1

А

Каскад счетчика

ХО мэ

Х1

А

э тт и

р

с

я О

Фиксация разряда

тт 0

к й

к ША ОЗУ

Выход каскада N

Рис. 6. Функциональная схема одного каскада счетчика

В устройствах сопряжения с промежуточной записью последовательности кадров изображения гибкое изменение количества адресных линий для каждой из координат X, У, Ъ позволяет не только записывать кадры изображения без потери информации, но и записать дополнительное количество кадров за счет использования дополнительных адресных линий, высвободившихся по координатам X, У.

Проведен анализ и предложена методика выбора элементной базы для построения устройств сопряжения, основанная на сравнении реализации устройства сопряжения на основе различных элементных баз по следующим параметрам: быстродействие; метод построения; применение в изделиях специального назначения; стоимость ИМС.

Методика выбора интерфейса обмена информацией между компьютером и устройством сопряжения основана на сравнении различных методов подключения по восьми параметрам, которые надо учитывать при выборе интерфейса, это: скорость обмена данными; длина и тип линии связи с ПЭВМ; допустимая сложность устройств сопряжения; сложность узлов сопряжения с интерфейсом; дополнительный конструктив; внешний ' источник питания; формат и разрядность данных; количество устройств сопряжения одновременно подключаемых к ПЭВМ.

Макет детектора рентгеновского излучения, устройство сопряжения которого разработано на основании предложенной методики проектирования, обладает следующими характеристиками: возможность использования в качестве датчика излучения ФПЗС форматом до 1040x1160; максимальная амплитуда видеосигнала 1В; число цифровых разрядов выходных данных 8; связь с компьютером через интерфейс Centronics; конструктив - устройство сопряжения выполнено в виде отдельного блока размером 80х300х 150мм с независимым источником питания; область спектральной чувствительности (в основном определяется использованным датчиком, при использовании датчика на основе ИМС ISD017A) 2,4...50кэВ; чувствительность 104В.с.м2/Дж; фоточувствительная область 16,64x18,56мм2; пространственное разрешение 25...40мкм; временное разрешение 0,2-7с; амплитудное разрешение 20мВ; устройство сопряжения изготовлено на дискретных компонентах.

Разработана подсистема для возможности функционирования телевизионной системы на основе перестраиваемого устройства сопряжения, включающая программные средства управления и обработки изображения: обмен информацией с устройством сопряжения; анализ пространственного распределения интенсивности по выбранному направлению; фильтрацию изображения; наложение изображений; представление рентгеновского кадра изображения в псевдоцветах. Программное обеспечение выполнено в среде DELPHI 3.0. Основной язык - Pascal, имеется возможность применения языка ассемблер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным научным результатом диссертации является развитие методики схемотехнического проектирования перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных)

устройств сопряжения, алгоритмы работы которых основаны на представлении в буферном ОЗУ кадра изображения в виде двумерного массива данных.

Частные теоретические результаты, полученные по теме диссертации:

1. Развиты алгоритмические методы разделения адресного пространства буферной памяти для адресации массива информации аппаратным способом при . построении перестраиваемых устройств сопряжения. Предложены варианты адресации двумерного, трехмерного и, в общем случае, М-мерного массива информации.

2. Предложена методика выбора интерфейса обмена информацией между устройством сопряжения и ПЭВМ с учетом конкретной решаемой задачи.

Частные практические результаты:

1. Разработана библиотека алгоритмов и схемотехнических решений, основанных на

перестройке устройств сопряжения в соответствии с форматом вводимого изображения и позволяющих без искажений передавать информацию от рентгеночувствительных датчиков на ФПЗС произвольного формата в ПЭВМ.

2. Предложен метод перестройки параметров устройств сопряжения с целью изменения размерности аппаратно адресуемого многомерного массива данных в ОЗУ для наиболее полного использования ОЗУ, который позволяет в два и более раз увеличить эффективность использования буферной памяти устройств сопряжения при использовании метода разделения адресного пространствц.буферной памяти устройств сопряжения.

3. Разработан алгоритм управления временем экспозиции, позволяющий уменьшить помехи рентгеновского излучения, негативно влияющие на ФПЗС во время выноса информации. Время действия источника излучения при этом составляет 0,2 - 7с. Предложенное схемотехническое решение предотвращает смазывание изображения и уменьшает помехи, которые составляют «7,8% от максимального заряда, который может накопиться в ячейке ФПЗС.

4. Результаты работы по разработке перестраиваемых устройств сопряжения использованы при работе над детекторами рентгеновского излучения на основе ИМС 150017А (формат 1040x1160) для стоматологических целей и на основе ИМС К1200ЦМ4 (288x360) для научных исследований.

5. Результаты диссертации использованы в МИФИ при постановке лабораторных работ «Аналого-цифровые преобразователи» и «Цифроаналоговые преобразователи» для лабораторного практикума «Элементы аналого-цифровых систем»

Таким образом, разработаны схемотехнические способы построения и методика проектирования перестраиваемых устройств сопряжения для работы с произвольными датчиками на основе рентгеночувствительных ФПЗС.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ:

1. Шерхалов Д.С. Элементы быстродействующих устройств выборки и хранения// Микроэлектроника и информатика - 95. Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции. Часть. 1. - М.: МГИЭТ(ТУ), 1995. - С.50.

2. Шерхалов Д.С. Особенности устройства выборки и хранения в интегральном исполнении// Микроэлектроника и информатика - 97: Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. - М.: МГИЭТ(ТУ), 1997. - С.69.

3. Шерхалов Д.С. Элементы интегральной микросхемы устройства выборки и хранения// Информационные технологии в энергетике и электроэнергетике: Тез. докладов Всероссийской научно-технической конференции / Чуваш. Гос. ун-т. - Чебоксары, 1996. -С.66-67.

4. Шерхалов Д.С. Применение рентгенотрлевизионной установки на основе ФПЗС// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-98, Сборник научных трудов. 4.10. - М.: МИФИ, 1998. - С.63-65.

5. Шерхалов Д.С. Блок ввода видеосигнала в IBM PC// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-99. Сборник научных трудов. Т.10. - М.: МИФИ, 1999. - С.97-99.

6. Краснюк A.A., Стенин В.Я., Шерхалов Д.С. Детектор на основе рентгеиочувствительной ПЗС матрицы// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-99, Сборник научных трудов, Т.б. - М.: МИФИ, 1999. - С.148-149.

7. Краснюк A.A., Стенин В.Я., Шерхалов Д.С. Детектор на основе рентгеиочувствительной П.З.С.- матрицы// Приборы и техника эксперимента 1999. - №5. -С.63-66.

8. Krasnjuk A.A., Sherhalov D.S., Stenin V.Ja. Analog-to-digital interface system for CCD sensors and cameras// Proceedings of SPIE, 1999. - V.3901. - P.162-167.

9. Шерхалов Д.С. Помехоустойчивая телевизионная система регистрации рентгеновских изображений на основе ФМЗС// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2000. Сборник научных трудов. Т.13. М.: МИФИ, 2000 - С.62-64. (январь)

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФПЗС.

1.1. Обзор детекторов сигналов рентгеновского излучения с преобразованием рентгеновского излучения в видимый свет.

1.2. Обзор детекторов сигналов на основе ФПЗС непосредственно рентгеновского диапазона.

1.2.1. Детекторы рентгеновского изучения на основе одного кристалла ФПЗС.

1.2.2. Сканирующие детекторы рентгеновского излучения на ФПЗС.

1.2.3. Детекторы рентгеновского излучения на основе сборок ФПЗС.

1.3. Обоснование выбора источника ионизирующего излучения.

1.3.1.Формирование заряда в полупроводнике под действием ионизирующего излучения.

1.3.2. Источники ионизирующего излучения, работающие на принципе радиоизотопного возбуждения.

1.3.3. Источники тормозного рентгеновского излучения.

1.4. Обзор устройств сопряжения датчиков сигналов на ФПЗС с ПЭВМ.

1.4.1. Специализированные устройства сопряжения в составе программно-аппаратного комплекса.

1.4.2. Устройства сопряжения, ориентированные на работу с видеосигналом определенного стандарта.

1.5 Требования к перестраиваемым устройствам сопряжения.

Выводы.

2. ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ ДАТЧИКОВ СИГНАЛОВ НА ФПЗС

С ПЭВМ.

2.1. Элементы устройств сопряжения датчиков сигналов на основе ФПЗС с ПЭВМ для предобработки изображения.

2.2. Особенности обработки сигнала с рентгеночувствительного ФПЗС датчика.

2.2.1. Основные характеристики рентгеновского изображения.

2.2.2. Особенности преобразования рентгеновского изображения.

2.3. Разработка аналого-цифрового преобразователя видеоданных с выделением служебных сигналов из композитного сигнала изображения.

Выводы.

3. УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЗАПИСЬЮ ВИДЕОДАННЫХ.

3.1. Устройство сопряжения с промежуточной записью кадра известного формата

3.2. Разработка перестраиваемого устройства сопряжения с промежуточной записью кадра изображения.

3.2.1. Метод разделения адресного пространства буферного ОЗУ.

3.2.2.Блок схема перестраиваемого устройства сопряжения с промежуточной записью кадра.

3.2.3. Перестраиваемые устройства сопряжения, адаптирующиеся к параметрам кадра.

3.3. Разработка перестраиваемого устройства сопряжения с промежуточной записью последовательности кадров изображения.

3.4. Разработка устройства сопряжения для записи информации с перестраиваемыми счетчиками.

3.4.1. Счетчики с перестраиваемой разрядностью.

3.4.2.Устройство коммутации разрядов перестраиваемых счетчиков.

Выводы.

4. ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РЕНТГЕНОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ДАТЧИКА НА ФПЗС.

4.1. Помехоустойчивый детектор на рентгеночувствительном ФПЗС.

4.2. Блок адресации буферного ОЗУ устройства сопряжения.

4.3. Функциональная схема блока перестраиваемого устройства сопряжения для считывания информации из буферного ОЗУ в ПЭВМ.

4.4. Разработка аппаратной части перестраиваемого устройства сопряжения для ввода информации с рентгеночувствительного датчика ФПЗС в ПЭВМ.

4.5. Реализация алгоритма. Программное обеспечение.

Выводы.

Датчики сигналов на фоточувствительных приборах с зарядовой связью (ФПЗС) обладают высоким пространственным, временным, энергетическим разрешением и надежностью. Такие датчики используются в космических исследованиях [1], в медицине [2], в машиностроении [3], в вычислительной технике [4], в прикладном и вещательном телевидении [5, 6] и в других областях. Еще на ранних стадиях развития ПЗС-технологии (в 1977 году) проводились исследования по использованию ФПЗС для регистрации сигналов изображения рентгеновского диапазона [7]. Эти исследования положили начало нового направления в области применения ФПЗС - использование ФПЗС в качестве датчика рентгеновского излучения при медицинских и биологических исследованиях и неразрушающем контроле образцов и материалов. В связи с тем, что рентгеновское излучение является ионизирующим излучением, возможность использования ФПЗС в качестве датчика рентгеновского излучения положила начало исследованиям, направленным на применение ФПЗС для регистрации различных ионизирующих излучений (рентгеновского излучение различных энергий [8-10]), отдельных частиц (сс-частиц [11], отдельных рентгеновских фотонов [12]) и пучков [13]. В настоящее время, имея лучшие параметры, чем применяемые рентгеновские фотопленки, сочетающиеся с возможностью оперативного ввода информации в компьютер, ФПЗС вытесняют рентгеновские фотопленки в медицинских, научных исследованиях и на производстве. При использовании ФПЗС в качестве датчика рентгеновского излучения с течением времени при получении определенной дозы излучения, зависящей от конкретной модели ФПЗС [14, 15] происходит деградация характеристик ФПЗС [16]. Учитывая, что ионизирующее излучение обладает большой проникающей способностью, накопление заряда под действием излучения будет происходить не только в секции накопления, но и в секции памяти и выходном регистре ФПЗС [17]. Для предотвращения накопления дополнительного заряда во время выноса информации из ФПЗС (для предотвращения «смазывания» изображения) и сокращения времени облучения ФПЗС (т.е. для продления срока службы прибора) желательно подвергать действию облучения ФПЗС только во время цикла накопления заряда. При использовании радиоактивного источника излучения используются механические системы, закрывающие ФПЗС [18]. При использовании источника тормозного рентгеновского излучения время облучения можно регулировать электрическим способом. Такой способ применяется в рентгенографических установках [19, 20], в этом случае можно задать необходимое время воздействия излучения на ФПЗС.

Большой вклад в нашей стране в развитие физических основ проектирования ФПЗС внесли Шилин В.А. и Пресс Ф.П. [21, 22] Скрылев A.C., Тишин Ю.Н. Проектирование, технология изготовление интегральных схем с зарядовой связью отражено в работах Кузнецова Ю.А. [23, 24], Скрылева A.C. Вопросы практического использования в научных исследованиях и в физическом приборостроении исследовались в работах Котова Б.А. [25]. Заметный вклад в изучение и решение проблемы радиационной стойкости полупроводниковых приборов внесли Ухин H.A., Ладыгин Е.А., Першенков B.C., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Вопросы проектирования устройств управления ФПЗС рассмотрены в работах Зубца Ю.А. [26], Дика П.А. [27], Краснюка A.A. [28]. Вопросы совместного использования ПЗС с ПЭВМ рассматривались в работах Егоровой С.Д., Колесника В.А. [29], Тишина Ю.Н. [30].

Для ввода сигнала с датчика рентгеновского излучения в компьютер применяются устройства сопряжения, способные обрабатывать сигнал ФПЗС, преобразовывать его с требуемой точностью в цифровой код с последующим его вводом в компьютер для обработки, анализа и хранения. Проектирование устройств считывания сигналов ФПЗС отражено в работах Стенина В.Я. [31].

До последнего времени теме разработки отдельных устройств сопряжения не уделялось большого внимания. Устройства сопряжения присутствовали в научных установках и промышленных системах как неразрывная часть всего комплекса в целом [32, 33], т.е., если для исследовательских задач был использован новый датчик на основе ФПЗС другого формата или типа, устройство сопряжения для нового датчика на ФПЗС разрабатывалось заново.

При вытеснении ФПЗС передающих электронно-лучевых трубок [34] из телевизионной техники началось широкое применение ФПЗС датчиков в камерах, работающих в стандартах, совместимых с телевизионными стандартами [35, 36]. Принятие международным сообществом общих стандартов видеосигналов PAL, SECAM, NTSC, S-video [37] и бурное развитие компьютерной техники в последние двадцать лет дало новый толчок в области разработок устройств сопряжения. Отдельный класс устройств сопряжения составляют устройства сопряжения, которые разрабатывались, ориентируясь не на конкретную модель ФПЗС и область ее применения, а на обработку и ввод в компьютер стандартного видеосигнала [38-42]. Платой за универсальность таких устройств стало то, что при отличии видеосигнала датчика ФПЗС от стандартного видеосигнала, такие устройства сопряжения не способны его обработать. Вместе с тем, многие датчики на основе ФПЗС работают в режимах отличных от стандартных, и, соответственно, их выходной сигнал отличается от стандартного видеосигнала:

- это радиотелескопы [43], где время накопления несоизмеримо больше, чем время считывания;

- регистраторы быстропротекающих процессов [44], где время накопления в несколько раз меньше, чем время считывания;

- интраоральные и панорамные радиовизиографы [45], считывающие одиночные кадры изображения;

- рентгенографические аппараты [46], чувствительная часть которых состоит из гибридных сборок ФПЗС, и число элементов разложения в которых достигает нескольких миллионов;

- детекторы на основе линеек ФПЗС [47], «кадр» изображения которых составляет только одну строку.

Для всех вышеперечисленных устройств необходимо в каждом отдельном случае производить разработку соответствующего устройства спряжения.

Несмотря на относительно большое количество публикаций по вопросам проектирования и применения устройств сопряжения датчиков сигналов на ФПЗС, специфика построения перестраиваемых устройств сопряжения в научно-технической литературе практически не рассмотрена. Недостаточно внимания уделено, по мнению автора, практической реализации принципов адаптивности и многофункциональности устройств сопряжения, развитию и формализации методики проектирования устройств сопряжения для ввода в компьютер видеосигнала произвольного формата с произвольного рентгеночувствительного датчика ФПЗС, которые могли бы функционировать как с линейным ФПЗС, так и с матричным ФПЗС, и поддерживали бы работу с датчиком ФПЗС в непрерывном, телевизионном и ждущем режиме.

Цель работы заключается в научном исследовании, направленном на развитие и формализацию схемотехнических и алгоритмических методов и способов построения перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения для преобразования и ввода сигнала в компьютер с рентгеночувствительных датчиков на основе ФПЗС разных типов.

Состояние вопроса определяет необходимость:

1. Провести анализ методов и схемотехнических решений построения устройств сопряжения для преобразования и ввода в компьютер сигнала с датчиков на рентгеночувствительных ФПЗС, определение параметров, которые должны учитываться при проектировании перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения. Данные вопросы рассмотрены в первой главе.

2. Провести исследования характеристик рентгеновского изображения, направленные на определения параметров тракта аналого-цифрового преобразования. Провести исследование способов построения и характеристик узлов устройств, ориентированных на обработку композитного видеосигнала. Выделение управляющих импульсов из композитного видеосигнала. Определить необходимость и достаточность набора синхронизирующих сигналов для преобразования и ввода информации в ПЭВМ без потери или искажения данных. Провести исследование пределов применимости способов выделения и генерации управляющих синхроимпульсов при входном композитном видеосигнале, для определения пределов использования в преобразователях рентгеновского изображения датчиков на ФПЗС с выходным композитным видеосигналом. Данные вопросы рассмотрены во второй главе.

3. Провести исследования структурно-схемотехнических решений перестраиваемых (адаптивных) устройств сопряжения для преобразования и ввода в ПЭВМ видеоинформации, поступающей с датчиков на рентгеночувствительных ФПЗС для определения областей применения различных алгоритмических решений при построении преобразователей рентгеновских изображений и с целью наиболее полного использования буферной памяти устройства сопряжения. Данные вопросы рассмотрены в третьей главе.

4. Провести исследование способов и протоколов передачи цифровых данных от устройства сопряжения в ПЭВМ для разработки методики выбора интерфейса обмена данными между устройством сопряжения и компьютером с учетом решаемой задачи. Разработать рекомендации по применению перестраиваемых устройств сопряжения в телевизионных системах на основе рентгеночувствительного ФПЗС датчика произвольного формата. Данные вопросы рассмотрены в четвертой главе.

Научная новизна работы.

1. Развита методика схемотехнического проектирования перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения, алгоритмы работы которых основаны на представлении в буферном ОЗУ кадра изображения в виде двумерного массива данных, позволяющая ускорить процесс проектирования перестраиваемых устройств сопряжения для ввода информации в ПЭВМ с датчиков на рентгеночувствительных ФПЗС.

2. Разработаны алгоритмы обмена данными между датчиками на рентгеночувствительных ФПЗС и буферным ОЗУ устройства сопряжения, а также устройством сопряжения и ПЭВМ, которые позволяют аппаратным способом адресовать массив данных (кадр изображения) для предотвращения искажения информации и наиболее рационально использовать буферную память устройств сопряжения.

На защиту выносятся:

1. Алгоритмические методы разделения адресного пространства буферной памяти перестраиваемых устройств сопряжения для адресации многомерного массива информации аппаратным способом, которые позволяют без искажений вводить информацию, получаемую с датчика ФПЗС в ПЭВМ в устройствах когда формат кадра априори неизвестен.

2. Состав базовых алгоритмов и схемотехнические решения блоков устройств сопряжения на основе метода разделения адресного пространства буферной памяти и перестраиваемых счетчиков, позволяющих реализовать принципы адаптивности и многофункциональности устройств сопряжения .

3. Методика проектирования перестраиваемых устройств сопряжения для работы с рентгеночувствительными датчиками ФПЗС произвольного формата.

4. Результаты работы по разработке перестраиваемых устройств сопряжения использованы при работе над детекторами рентгеновского излучения на основе ИМС 180017А (формат 1040x1160) для стоматологических целей и на основе ИМС К1200ЦМ4 (288x360) для научных исследований.

5. Результаты диссертации использованы в МИФИ при постановке лабораторных работ «Аналого-цифровые преобразователи» и «Цифроаналоговые преобразователи» для лабораторного практикума «Элементы аналого-цифровых систем»

Таким образом, разработаны схемотехнические способы построения и методика проектирования перестраиваемых устройств сопряжения для работы с произвольными датчиками на основе рентгеночувствительных ФПЗС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным научным результатом диссертации является развитие методики схемотехнического проектирования перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения, алгоритмы работы которых основаны на представлении в буферном ОЗУ кадра изображения в виде двумерного массива данных.

Частные теоретические результаты, полученные по теме диссертации:

1. Развиты алгоритмические методы разделения адресного пространства буферной памяти для адресации массива информации аппаратным способом при построении перестраиваемых устройств сопряжения. Предложены варианты адресации двумерного, трехмерного и, в общем случае, Ы-мерного массива информации.

2. Предложена методика выбора интерфейса обмена информацией между устройством сопряжения и ПЭВМ с учетом конкретной решаемой задачи.

Частные практические результаты:

1. Разработана библиотека алгоритмов и схемотехнических решений, основанных на перестройке устройств сопряжения в соответствии с форматом вводимого изображения и позволяющих без искажений передавать информацию от рентгеночувствительных датчиков на ФПЗС произвольного формата в ПЭВМ.

2. Предложен метод перестройки параметров устройств сопряжения с целью изменения размерности аппаратно адресуемого многомерного массива данных в ОЗУ для наиболее полного использования ОЗУ, который позволяет в два и более раз увеличить эффективность использования буферной памяти устройств сопряжения при использовании метода разделения адресного пространства буферной памяти устройств сопряжения.

3. Разработан алгоритм управления временем экспозиции, позволяющий уменьшить помехи рентгеновского излучения негативно влияющие на ФПЗС во время выноса информации. Время действия источника излучения при этом составляет 0,2 - 7с, что позволяет снизить уровень дозы облучения до 50% по сравнению с рентгеновскими фотопленками. Предложенное схемотехническое решение предотвращает смазывание изображения и уменьшает помехи, которые составляют «7,8% от максимального заряда, который может накопиться в ячейке ФПЗС.

1. Шилин В.А., Бакланов А.И., Ельцов A.B. Оптимизация конструкции ФПЗС для звездного датчика// Тезисы докладов V конференции «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе», 1995. - С. 10.

2. Краснюк A.A., Стенин В.Я. Рентгеночувствительный преобразователь на матричном приборе с зарядовой связью// Тезисы докладов V конференции «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе», 1995. - С.49-51.

3. Матвеенко В.И., Староверов Ю.Г. Полутоновая система технического зрения// Микропроцессорные средства и системы, 1987. №2. - С.68-69.

4. Nudd G.R., Nygaard P.A., Thurmond G.D., Fouse S.D. A charge-coupled device image processor for smart sensor applications// Proceeding SPIE, 1978. -Vol.155. -P.15.

5. Справочник по приемникам оптического излучения/ Волков В.А., Вялов В.К., Гассанов Л.Г. и др.; Под ред. Криксунова Л.З. и Кременчугского Л.С. -К.: Техника, 1985. 216с.: ил.

6. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений/ Под ред. Кейзана Б. М.: Мир, 1980. - Т.З. - 310с.

7. Peckerar М.С., Baker W.D., Nagel D.J. X-ray sensitivity of a charge-coupled device array// J. Appl. Phys., 1977. - V.48. - P.2565.

8. Батраков A.M., Купер Э.А., Лысенко А.П., Панченко B.E., Федотов М.Г. Геометрическое разрешение линейного ПЗС в качестве рентгеновского детектора. Препринт 86-119, Новосибирск, 1986. - 10с.

9. Федотов М.Г. Передаточная функция ПЗС и фотодиодных решеток в рентгеновской области. Препринт ИЯФ СО АН СССР 87-109 Новосибирск, 1987.-23с.

10. Кусков В.Е. Влияние спектра поглощенной энергии на чувствительность фотоприемника на приборах с переносом заряда// Ядерная электроника. Теория и проектирование электронной аппаратуры физического эксперимента. —М.: Атомиздат, 1980. Вып. 12. - С.20-24.

11. Catura R.C., Smithson R.C. Single photon X-ray detection with a CCD image sensor// Rev. Sei. Instrum., 1979. - №2. - P.219-220.

12. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. - 312 с.

13. Ларионов C.B., Николаев Ю.М. Исследование радиационной стойкости ПЗС-линеек Reticon RL2048DAQ-011// Лазеры в науке, технике, медицине: Тезисы докл. IX Межд. научн-техн. конф., М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - С.128.

14. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. Под ред. Барба Д.Ф. М.: Мир, 1982.-240 с.

15. Стенин В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1991.-256 с.

16. Гусев Н.Г., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Т.1, Физические основы защиты от излучений./ Под ред. Гусева Н.Г. М.: Атомиздат, 1980.-461 с.

17. Радиовизиографы Trophy лидер всегда один// Информационный бюллетень «Дент-Информ»., - М.: «Дент-Информ», 2000. - №3, - с.19-21.

18. Разработка беспленочной цифровой рентгеновской установки. Отчет по НИР per. № 52/96 ТОПЕК М. 1997.

19. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1991. - 264 е.: ил.

20. Носов О.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. -М.: Наука, 1986.-320 с.

21. Вето A.B., Костюков Е.В., Кузнецов Ю.А. и др. Фоточувствительные микросхемы с зарядовой связью: состояние и перспективы развития// Электронная промышленность, 1982. Вып.7. - С.3-6.

22. Вето A.B., Докучаев Ю.П. Матричный формирователь видеосигнала на 66816 элементах ПЗС// Электронная промышленность, 1977. - вып.4. - С.95.

23. Котов Б.А., Черевань O.A. Возможность использования синусоидальных сигналов для управления приборами с зарядовой связью// Техника средств связи, сер. Техника телевидения, 1985. вып.2. - С.33.

24. Дик П.А. Формирователь импульсов управления быстродействующими регистраторами на ПЗС// Приборы и техника эксперимента, 1982. Вып.6 -С.25-31.

25. Егорова С.Д., Колесник В.А. Оптико-электронное цифровое преобразование изображений. М.: Радио и связь, 1991. - 208с.: ил.

26. Дик П.А., Красиюк А.А., Стенин В.Я. и др. Исследование методов построения функциональных преобразователей на основе приборов с зарядовой связью. Отчет по НИР, №№ гос. per 0284.0024876. - М.: МИФИ, 1983. -76с.

27. Koppel N. Direct soft X-ray response of a charge-coupled image sensor// Sci. Instrum., 1977. Vol.48. - № 6. P.669-672.

28. Есепкина H.A., Забродская В.П., Котов Б.А., Лавров А.П. Исследование оптического коррелятора с опорной сигнальной маской и сканирующим ПЗС фотоприемником// Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10. - Вып.19. - С.1160 - 1165.

29. Аксентов Ю.В., Веревкин Н.С., Джакония В.Е., и др. Телевидение. М.: Связь, 1979.-432 е.: ил.

30. Hoagland К.Е., Balopole H.L. CCD-TV camera utilizing interline transfer area image sensor// Microelectronics, 1976. vol.7. - №2. - P.78.

31. Хромов Л.И., Лебедев H.B., Цыцулин A.K., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение; Под ред. Росселевича И.А. М.: Радио и связь, 1986. - 184 с.

32. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учеб. пособие / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) -М.: 1999.-94с., ил.

33. STB Systems Inc., home page, http://www.symmetric.com.

34. Matrox Electronic Systems Ltd. home page, http://www.matrox.com.

35. Diamond Data Book, "Video Data Sheet", Diamond Multimedia Systems Inc., 1998.

36. ASUSTeK Computer Inc. home page, http://www.asus.com.

37. ATI Short Form Dsigners' Guide, "Video Data Sheet", ATI technologies Inc., 1998, http://www.atitech.ca.

38. Бабинцев В.Л., Лебедев Н.В., Скурлов К.В., Марков А.Н. Телевизионная камера высокой четкости на матрице ПЗС с фоконом// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, 1987. Вып.4 - С. 18 - 22.

39. Петраков А.В. Автоматические телевизионные комплексы для регистрации быстропротекающих процессов. М.: Энергоатомиздат, 1987. -152с.

40. Рентгеновские установки: РТС-612М/ РТС-612МТ1/ РТС-612МТЗ, http://www.elektron.spb.su.

41. NASA CCD System helps detect breast cancer// Biophotonics International, -July/August, 1995 - P. 19-20.

42. Емельянов M.B., Воронов Б.Ф., Леонтьев В.П. и др. Устройство регистрации рентгеновского излучения на основе линейного ПЗС// Тезисы докладов V конференции «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе», 1995. - С.51-52.

43. Бартиромо Р. Рентгеновская диагностика плазмы ТОКАМАКа// Атомная техника за рубежом, 1987. - №9. - С.34 -41.

44. Stranss V.G. et al. Large-aperture CCD X-ray detector for protein crystallography using fiber-optic tape// SPIE Proc., 1992 - V.1447. - P.2-11.

45. Корнеев В.В., Перцов А.А. Координатно-чувствительные приемники ультрамягкого (УМР) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) изображения// Тезисы докладов IV конференции «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе», 1992. - С.94-95.

46. Dalglish R.L., James V.J., Tubbenhauer G. A two-dimensional X-ray diffraction pattern sensor using a solid state area sensitive detector// Nuclear instrument's and methods' in physics research. 1984 - Vol.227 - P.521-525.

47. Аветисян Г.Х., Еркин A.K., Котов В.П. и др. Формирователь рентгеновских изображений// Тезисы докладов международной конференции «Фотонные системы экологического мониторинга». Прага - 1996. - С.25.

48. Смелков В.М., Иванов С.А. Камеры с предельной чувствительностью на ПЗС// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1985. - Вып.2. -С.26-32.

49. Миленин Н.К. Рентгенотелевизионная камера на матрице ПЗС с взаимообратным оптическим и электронным преобразованием формата кадра// Тезисы докладов V конференции «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе», 1995. - С.47-49.

50. Интраоральная рентгеновская система. Техническое описание. Франция: Trophy, - 1995 - 52с.

51. Клевалин В.А. Телевизионный автомат бесфильмового съема информации с искровых камер в линии с ЭВМ. Автореферат, дисе. канд. техн. наук. М.: МИФИ, 1973.

52. Блаженков В.В., Варнавский О.П., Кирнин А.Н. и др. Рентгеновский спектрометр на основе прибора с зарядовой связью для оперативного определения температуры лазерной плазмы// Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10. -Вып.19.-С.1165-1169.

53. Кусков В.Е. Специализированные ПЗС-структуры для рентгеноскопических исследований// Теория и проектирование электронной аппаратуры физического эксперимента, М.: Энергоатомиздат, -1982. - С.89-93.

54. Клюев В.В. Рентгенотехника: справочник в 2 книгах. Книга 2. М.: Машиностроение, 1980.-434с.

55. Ерохина Л.Г., Вавилов С.Б. Рентгеновская компьютерная томография в неврологии. Часть 1. М.: РГМУ, - 1994. - 72с.

56. Micro Photonics Inc., home page, http://www. microphotonics com.

57. Вольдсет Р. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. М.: Атомиздат, 1977. - 215 с.

58. Frankel R.S., Aitkin D.W. Large area silicon detectors. In: Applications of low energy X- and gamma rays N.Y. Gordon and Breach, - 1971.

59. Franzgrote E.J. Use of a solid-state detector for the analysis of x-ray excited in silicate rocks by alpha-particle bombardment. "Advances in x-ray analysis", 1972. -v.15. (K.F.J. heinrich, Ed.)

60. Излучатели рентгеновские РЕИС-Д, РЕИС-И. Техническое описание. -1987.- 60 с.

61. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. Минск: Наука и техника, - 1986. - 254с.

62. Williams R.A., Nelson R.D. Radiation effects in charge coupled devices// IEEE Trans., 1975. vol.NS-22. - №6. - P.2639 - 2644.

63. Show E.H., Grove A.S., Fitzgerald D.J. Proc. IEEE, 1967. vol.55. - №7. -P.1168.

64. Стенин В.Я. Влияние облучения на параметры полевых транзисторов// Приборы и техника эксперимента. 1969 - №2. - С.5-19.

65. Корж В.И., Кусков В.Е., Стенин В.Я. Детекторы рентгеновского излучения на приборах с зарядовой связью// Приборы и техника эксперимента. 1982. -№3. - С.7-19

66. Mitchell J.P. Radiation induced space charge buildup in MOS structures// IEEE Transactions. 1967. - Vol.ED-14, - №11. - P.764-774.

67. Chang C.P. Radiation hardened N-buried channel CCD using backside phosphorous gettering// IEEE Transactions. 1978. - Vol.NS-25 - №6. - P. 14541458.

68. Волков Г.С., Заживишин В.В., Зайцев В.И., Мишенский В.О. Приборы с зарядовой связью как позиционио-чувствительные детекторы рентгеновского излучения// Приборы и техника эксперимента, 1996. - №3. - С. 119-127.

69. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 408с.: ил.

70. Белов А.Л., Сироткин В.К., Феоктистов Л.П., Фетисов B.C. Взаимодействие неравновесного излучения с веществом. М.: МИФИ, 1991. -72 с.

71. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М.: Атомиздат, 1976. - 504 с.

72. Кусков В.Е., Стенин В.Я. Одномерный датчик ионизирующего излучения на ПЗС// Ядерная электроника. Теория и проектирование электронной аппаратуры физического эксперимента, М.: Атомиздат, - 1980. - Вып.11. -С.8-15.

73. Моисеев A.A., Иванов В.И. Справочник по медицине и радиационной гигиене. М.: Энергоатомиздат, - 1990. - 252с.: ил.

74. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике. Киев: Наук, думка, - 1975.-416 с.

75. Линденбратен Л.Д., Лясс Ф.М. Медицинская радиология. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, - 1986. - 368с.: ил.

76. Green М., Cossleff V.E. The efficiency of production of characteristic x-radiation in thick targets of pure element// Proc. Phys. Soc. (Lond.), 1961. - V.78. - P.1206.

77. Клюев B.B. Рентгенотехника: справочник в 2 книгах. Книга 1. М.: Машиностроение, 1980. - 383с.

78. Беликова Т.П. Автоматизированные рабочие места для анализа рентгенорадиологических изображений// Компьютерные технологии в медицине, 1998. №1. - С.35-47.

79. The Broad Band X-ray Telescope (BBXRT). http://heasarc.gsfc.nasa.gov/

80. AverMedia Data Book, "TV tuner Data Sheet", AverMedia Technologies Inc., 1998, http://www.aver.com/aver/.

81. Гротта Д., Гротта C.B. Цифровая фотография. Рубикон перейден// Персональный компьютер сегодня, 1998. №5(83) - С.44-76.

82. Modular imaging boards// Elecro optics, 1999. Jan./Feb. - P. 164.92. miroVIDEO DC 10, http://www.miro.com/dclO/.

83. Digiteye BW-04S, Кандела http://canopus.lpi.msk.su/~k412/.

84. Industrial image capture boards// Optics and optical instruments catalog -Edmund Scientific, 1998. - №987A - P.173.

85. Описание контроллера VS54. M.: TOO СОбИ ВИДЕОСКАН, 1997. 32с.

86. EPIX, Inc. home page, http://www.epix.com.97. . Карты. Платы. ЗАО «Растр»// Электронные компоненты, 1999. №4. -С.69.98. miroVIDEO DC 20+ MPEG, http://www.miro.com/dc20+/

87. ActionTec Inc. home page, http://www.actiontec.com.

88. Шерхалов Д.С. Особенности устройства выборки и хранения в интегральном исполнении// Микроэлектроника и информатика 97: Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. М.: МГИЭТ(ТУ), 1997. -С.69.

89. Шерхалов Д.С. Элементы быстродействующих устройств выборки и хранения// Микроэлектроника и информатика 95. Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции. Часть. 1. - М.: МГИЭТ(ТУ), 1995. -С.50.

90. Шерхалов Д.С. Элементы интегральной микросхемы устройства выборки и хранения// Информационные технологии в энергетике и электроэнергетике: Тез. докладов Всероссийской научно-технической конференции / Чуваш. Гос. ун-т. Чебоксары, 1996. - С.66-67.

91. Дворкович A.B., Дворкович В.П., Зубарев Ю.Б. и др. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. М.: Международный центр научной и технической информации, 1997. - 212 с.

92. Булычев A.J1. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник/ Булычев A.JL, Галкин В.И., Прохоренко В.А. 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 1994. - 382 е.: черт.

93. Machine vision reaches top gear// IEEE Review, 1998. Nov. - P.265 - 267.

94. Philips Inc., home page http://www.philips.com.

95. Analog Devices, home page http://www.analog.com.

96. Brooktree Inc., home page http://www.conexant.com.

97. TRW LSI Products, home page http://www.trw.com.

98. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Новикова Ю.В. Практ. пособие М.: ЭКОМ, 1997. - 224 е.: ил.

99. Голенкова Ж.К., Заблоцкий A.B., Мархасин M.JI. и др. Руководство по архитектуре IBM PC AT; Под общ. ред. Мархасина М.Л. Мн.: ООО "Консул", 1992.-949 е.: ил.

100. Акинфиев А.Б, Миронцев В.И., Софийский Г.Д., Цыркин В.В. Полупроводниковые запоминающие устройства. М.: Высш. шк., 1989. -160с.: ил.

101. Нефедов A.B., Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф. Зарубежные интегральные микросхемы: Справочник. М.: КубК-а, 1995. - 288с.: ил.

102. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: Справочник/ Под ред. Файзулаева Б.Н., Тарабрина Б.В. М.: Радио и связь, 1986.-384 с.

103. Лебедев О.Н., Марцинкявичюс А.-Й.К., Багданскис Э.-А.К. и др. Микросхемы памяти, Цап и АЦП: Справочник. М.: КубК-а, 1996. - 384с.

104. ПЗС в устройствах ввода оптической информации в ЭВМ. М.: Электронная промышленность, 1978. - №7. - С.35.

105. Olimpus Inc., home page http://www.olimpus.com.

106. Sequin C.H., Zimany E.J., Tompsett M.F. All solid state camera for the 525 -line television format//IEEE JSSC, 1976. Vol.SC-11. - №1. - P. 115-121.

107. Балякин И.А., Егоров Ю.М., Родзивилов B.A. Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки информации. М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.

108. Бирюков С.А. Применение интегральных микросхем серии ТТЛ. М.: Изд-во «Патриот», МП «Символ-Р» и ред. журнала «Радио», 1992. - 120с.

109. Галкин C.B., Дик П.А., Краснюк A.A., Панов А.Б., Стенин В.Я. и др. Разработка многокоординатного детектора для рентгеновского спектрометра. Научно-технический отчет по НИР, per. № 87-3-003-121 в МИФИ. М.: МИФИ, 1991.- 89 с.

110. Марков А.Н., Пригожин Г.Я., Смирнова В.М. Матричная фоточувствительная схема с зарядовой связью типа К1200ЦМ2// Электронная промышленность, 1982. Вып.7 - С. 13-17.

111. Краснюк A.A., Стенин В.Я., Шерхалов Д.С. Детектор на основе рентгеночувствительной ПЗС матрицы// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-99, Сборник научных трудов, В 13 томах, Т.6. М.: МИФИ, 1999. С. 148.

112. Матричный фоточувствительный пробор с зарядовой связью ISD017A, ISD017AP, home page, http://www.silar.spb.su.

113. Board level cameras// Optics and optical instruments catalog Edmund Scientific, - 1998. -№987A-P.171.

114. Прайс В. Регистрация ядерного излучения. M.: Иностранная литература, 1960.-464с.

115. Краснюк A.A., Стенин В.Я., Шерхалов Д.С. Детектор на основе рентгеночуствительной П.З.С.- матрицы// Приборы и техника эксперимента 1999.-№5.-С.63-66.

116. Шерхалов Д.С. Применение рентгенотелевизионной установки на основе ФПЗС// Сборник научных трудов. В 11 частях. 4.10. М.: МИФИ, 1998. -С.63.

117. Winter 97/98 short form designers' guide. USA: Analog Devices, 1998 312 P

118. Шерхалов Д.С. Блок ввода видеосигнала в IBM PC// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-99. Сборник научных трудов. В 13 томах. Т. 10. М.: МИФИ, 1999.-С.98

119. Шило B.JI. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. -Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. 352с.

120. Krasnjuk A.A., Sherhalov D.S., Stenin V.Ja. Analog-to-digital interface system for CCD sensors and cameras// Processing of SPIE, 1999. P.3901.

121. Шерхалов Д.С. Помехоустойчива телевизионная система регистрации рентгеновских изображений на основе ФМЗС// НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2000. Сборник научных трудов в 13 томах. Т. 13. М.: МИФИ, 2000 С.62-64.134. т628128, http://www.semi.com.tw.

122. IEEE Std. 1284 1994, http://www.fapo.com/1284int.htm

123. Деруго И. Photoshop 5.0 Технология обработки изображений М.: Изд-во «Нолидж», 1999. -232с.

124. Олтман P. CorelDraw 8: Полное руководство/ Пер. с англ. М; Киев: Энтропидр., 1998.-798 с.

125. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. -Кн.1- 312 с.хш