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摘要：X射線工業CT（計算機斷層掃描）可以展現被檢測物體內部結構的真實情況，被廣泛應用于科學研究、航天航空、工業生產等領域。CT圖像的生成是一個復雜的數據采集—重建過程，其過程涉及大量的數據采集與傳輸和復雜的數學運算，大量基礎數據的實時穩定傳輸是首要前提。本文從X射線工業CT的基本成像理論入手，以錐束X射線工業CT為例探討網絡通信技術在X射線工業CT數據通信中的應用。

關鍵詞：X射線；工業CT；光纖網絡；工業以太網

1概述

隨著計算機技術的發展，CT（計算機斷層掃描）技術被逐漸引入工業無損檢測領域，這種通過外部投影數據重建物體內部結構的方法［1］很好地展現了無重疊狀態下被檢測物體的內部情況。X射線工業CT涉及到許多學科的綜合應用，本文僅以錐束X射線工業CT為例，探討網絡通信技術在X射線工業CT數據通信中的應用。

1．1X射線工業CT成像的基本理論概述

［1］X射線照射被檢測物體時，不同物質（密度差異）對透照射線的衰減量不同，衰減規律符合比爾定律：I＝I0e－μx（1）式中I0—入射X射線強度；I—出射X射線強度；X—透照厚度；μ—材料的線性衰減系數。CT圖像反映的是被檢測對象某一斷層結構的圖像，如果將該斷層劃分為若干個均勻的單元，每個單元的線性衰減系數分別為μ1，μ2，μ3……μN，單一X射線路徑上的長度分別為x1，x2，x3……xN，假設單元尺寸足夠小則可以認為x1＝x2＝x3＝xN＝Δx，根據式（1）對于該射線透照若干個單元后入射和出射強度關系可以寫為：（3）對于式（3）入射強度I0和出射的強度I的比值可以從射線探測器中獲取，p為X射線穿透物體后的投影數據，包含了X射線強度信息和位置信息，在測量單元尺寸縮小以后，其數值上等于X射線路徑上線衰減系數的線積分。從X射線源發出的射線束中包含若干條單一射線，透照物體后到達射線探測器的各個像素單元，形成了一系列與式（3）相同的關于線性衰減系數的方程，這些方程組成了線性衰減系數矩陣，按照一定的算法求解線性衰減系數的分布并用計算機圖像的形式表示出來就形成了斷層圖像。

1．2錐束X射線工業CT工作原理概述

錐束X射線工業CT主要由X射線源、X射線探測器、圖形工作站、CT圖像采集及重建軟件、多軸機械運動平臺、PLC控制系統、運動控制系統、X射線防護室等組成。圖1是一種錐束X射線工業CT的結構示意圖，X射線源與X射線探測器固定不動，被檢測物體放置于轉臺上，轉臺可以圍繞其轉動軸進行旋轉同時可以在水平面內沿X軸和Y軸移動，轉臺也可以在垂直平面內作升降運動即Z軸運動。設備工作時，由X射線源發出錐束射線，X射線穿透被檢測物體或直接照射到X射線探測器上形成投影數據，數據采集軟件按轉臺旋轉的步進角度進行數據采集，一般需要在被檢測物體旋轉一周內完成有效數據的采集。

1．3錐束X射線工業

CT通信網絡的總體框架為了求解該線性衰減系數矩陣從而得到被檢測物體的斷層圖像，需要從X射線探測器中讀取被檢測物體在不同角度的透照數據，這些數據是在被檢測物體動態旋轉過程中得到的，而且旋轉角度（步進角）劃分越細微圖像效果越好。大量數據的高速、穩定、實時傳輸是數據采集過程的硬性需求，否則將影響重建圖像的質量。通過網絡進行信息交換和數據傳輸是錐束X射線工業CT數據傳輸過程中的一個有效手段，圖2所示為一種錐束X射線工業CT中的網絡總體框架，X射線探測器與圖形工作站之間采用光纖網絡連接，PLC控制系統與運動控制系統之間采用工業以太網連接，PLC控制系統與圖形工作站之間采用工業以太網連接。本文中涉及的網絡通信部件有XRD1621數字平板探測器、高性能圖形工作站、S7－1500PLC控制系統和S120伺服驅動系統。

2光纖網絡在錐束X射線工業CT的應用

XRD1621數字平板探測器像素矩陣為2048×2048＠16bit，每幀圖像的大小約為8．2MB，如圖像數據采集過程中采集720幀～1200幀圖像，那么總傳輸量大約為5．8GB～9．6GB，圖像數據采集軟件大約1s采集一次數據即每秒至少需要傳輸8．2MB數據。探測器每幀圖像以數據包形式發送，根據上述理論計算，該數據包只能采用以太網的方式進行傳輸。對于百兆以太網而言，其理論傳輸速度為12．5MB／s，但是在實際應用中由于線路的損害、設備自身、預留帶寬等原因傳輸遠遠達不到理論值，而平板探測器幀數據包傳輸需求接近百兆以太網的能力上限，如果使用百兆以太網進行傳輸很容易造成網絡癱瘓，導致不能得到正確的基礎數據，影響CT圖像的重建效果和精度。因此，XRD1621數字平板探測器和圖形工作站之間采用了傳輸速度更快、穩定性更高的以光纖為傳輸介質的千兆以太網進行數據傳輸。在硬件接口方面，探測器提供了光纖網絡的接口，圖形工作站配套了專用的帶光纖網絡接口的數據采集卡；在軟件方面，可以直接調用SDK進行數據采集。千兆以太網的傳輸速度是百兆以太網傳輸速度的10倍，理論值可以達到125MB／s，可以輕松應對平板探測器幀數據包傳輸需求，采用光纖作為傳輸介質可以最大程度地減少數據傳輸中的帶寬損耗和電磁干擾。光纖網絡很好地滿足了X射線工業CT大量基礎數據采集過程中的高速、穩定的傳輸要求。

3工業以太網在錐束X射線工業CT的應用

為了得到被檢測物體的層析圖像，除了需要大量的基礎圖像數據外，還需要知道被檢測物體的位置數據，這些位置數據雖然數據量不大，但是必須保證準確性、實時性，錯誤或錯位的位置數據會影響重建圖像的精度和質量，這些位置數據均來自于PLC控制系統和運動控制系統。工業以太網為錐束X射線工業CT位置數據的獲取提供了一個很好的解決方案。工業以太網是將以太網技術應用于工業控制領域，一般是數據鏈路層和物理層使用以太網的標準，而應用層根據工業控制需求被各個廠家重新定義。使以太網具有更高的可靠性、實時性、抗干擾性、本質安全性等，響應時間可以達到毫秒級別，更適合工業現場的使用要求。

3．1PROFINET通信應用

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出的基于工業以太網技術的自動化總線標準，包括了實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等的解決方案，PROFINET傳輸的數據包被區分優先次序，以確保數據實時性。在圖1所示的錐束X射線工業CT中，運動機構有轉臺（即被檢測物體）的旋轉運動、X方向運動、Y方向運動和Z方向運動，這些運動均由伺服電機驅動，各運動機構的實際位置值和運行狀態由伺服驅動系統傳送至PLC控制系統。在CT數據采集中，轉臺的X方向、Y方向和Z方向的位置值不需要進行調整，但是旋轉運動始終在進行，而且需要準確、實時地將轉臺轉動角度的實際值反饋到PLC控制系統。如圖2所示，采用S7－1500PLC控制系統和S120伺服驅動系統，兩者都具備PROFINET通信接口，可以通過交換機直接組網，采用報文形式進行數據通信。報文可以理解為通信數據包，報文中包含了控制字和狀態字等信息，基本單位（PZD）為Word類型數據。本文采用西門子110標準報文完成基本定位操作，該報文由12個控制字和7個狀態字組成，其基本組成結構如圖3所示。由于是多軸伺服系統，因此轉臺的旋轉運動、X方向運動、Y方向運動和Z方向運動各對應一組報文。在PLC控制系統中，調用“DPWR＿DAT”函數寫控制字報文，將控制數據發送至伺服驅動系統，用于轉臺的運動控制；調用“DPRD＿DAT”函數讀狀態字報文，將轉臺各運動機構的實際位置值和運行狀態讀入到PLC控制系統，該數據將用于伺服系統的監控并實時傳遞到CT圖像采集軟件。PLC控制系統與伺服驅動系統的雙向通信過程如圖4所示。

3．2OPC通信應用

OPC（OLEforProcessControl，用于過程控制的OLE）是自動化行業中的一個開放的接口標準和技術規范，采用服務器／客戶機進行數據交換，無需關心不同設備廠商的硬件細節和通訊協議，可以方便地實現多廠商、多設備之間信息的無縫集成。在圖1所示的錐束X射線工業CT中，CT圖像采集軟件需要控制轉臺的運動機構，轉臺運動機構的實際位置值和狀態信息要實時反饋給CT圖像采集軟件，尤其是CT數據采集中，轉臺的實際角度值更需要準確、實時地反饋到CT圖像采集軟件，以便軟件將實時角度與圖像數據相對應形成準確的投影數據。如圖2所示，在圖形工作站上安裝了OPC服務器，PLC控制系統通過工業以太網與圖形工作站進行連接，兩者之間采用OPC方式進行通信。CT圖像采集軟件讀、寫OPC服務器的數據就可以通過PLC控制系統及伺服驅動系統對轉臺運動機構進行控制，并實時獲取各運動機構的實際位置值和狀態信息。在CT圖像采集軟件中調用西門子公司提供的動態鏈接庫直接對OPC服務器的數據進行操作，采用變量名稱作為索引，定義訪問形式為“站點名稱．PLC名稱．數據塊名稱．變量名稱”。PLC控制系統與圖形工作站的雙向通信過程如圖5所示。

4小結

本文研究的網絡通信方式已在我公司研制的LY－450XCTX射線工業CT中得到應用，可以滿足錐束X射線工業CT數據采集過程中大量數據的高速、穩定、實時傳輸的要求，經數據重建后二維斷層圖像能夠滿足性能要求。圖6所示為該設備獲取的某巖心樣品在力學加載過程中同一斷層的圖像，當外部加載力發生變化后樣品內部變化狀態清晰可見，在CT掃描過程中有大量基礎數據進行實時傳輸而且準確無誤，數據重建后的斷層圖像真實反映了被檢測物體的內部狀態變化，無偽影和錯位數據產生。網絡通信技術為錐束X射線工業CT高速、穩定的數據采集和數據通信提供了可靠、有效的技術手段。（a）無加載力（b）1900N加載力（氣孔增多）圖6巖心樣品加載過程層析圖像此外，本文研究的網絡通信方式也拓展到了扇束X射線工業CT的應用之中，同樣可以滿足其數據采集和通信的要求。

參考文獻：

［1］張朝宗．工業CT技術和原理［M］．北京：科學出版社，2009．

［2］崔堅．西門子工業網絡通信指南（下冊）［M］．北京：機械工業出版社，2005．

作者：李俊霖 單位：遼寧儀表研究所有限責任公司