Введение к работе
Диссертация посвящена развитию методики построения перестраиваемых устройств сопряжения датчиков сигналов на рентгеночувствительиых 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 А.С. Проектирование, технология изготовления интегральных схем с зарядовой связью отражено в работах Кузнецова Ю.А., Скрылева А.С. Заметный вклад в изучение и решение проблемы радиационной стойкости полупроводниковых приборов внесли Ухин Н.А., 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
4 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
5 рентгеночувствительных ФПЗС, определение параметров, которые должны учитываться при проектировании перестраиваемых (адаптивных и многофункциональных) устройств сопряжения.
-
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.
-
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.
-
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 рентгеночувствигелыюго ФПЗС датчика произвольного формата.
Научная новизна работы.
-
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.
-
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 сопряжения.
Практическая ценность работы.
-
Разработана библиотека схем блоков для построения перестраиваемых устройств сопряжения с учетом используемого датчика рентгеновского изображения и области применения аппаратуры.
-
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.
-
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.
-
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 ISD017А 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:
-
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.
-
Состав базовых алгоритмов и схемотехнические решения блоков устройств сопряжения на основе метода разделения адресного пространства буферной памяти и
7 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.
