锥束CT重建FDK算法的两级并行计算研究

三维锥束CT图像的FDK算法重建由于运算量大,在重建高分辨率的图像时,重建所需时间通常难以满足实际应用的需求,集群并行计算是解决上述问题的常用方法之一.在一个SMP集群系统上,采用MPI和Pthreads两种模型相结合的方法,通过节点之间的消息传递和节点内部的共享内存,实现了FDK算法的两级并行.     

锥束CT的改进FDK算法及加速实现

锥束CT成像中,FDK重建算法得到广泛应用。提出一种可以扩大锥束CT旋转轴方向重建体积的FDK方法。在反投影步骤中,对重建物体的每个体素点被反投影的总次数进行计算,之后进行权重计算,最终得到三维重建图像。同时,采用CUDA技术,利用GPU对改进的FDK算法进行并行计算加速实现,提高重建效率。实验结果表明,改进的FDK算法可以增大重建体积,重建更多物体信息,采用CUDA技术后,速度大幅度提升。     

锥束CT图像矩形包围盒快速重建

针对传统锥束CT重建存在大量冗余计算的问题,建立了锥束CT图像矩形包围盒快速重建方法。该方法将重建空间限定为三维矩形包围盒,大大减少了待重建体素的数量,接着将Z线优先算法反投影部分的计算移植到GPU上加速重建。实验结果表明:该方法显著提高了锥束CT图像的重建速度,可推广应用于采用类似算法重建的CT系统。     

高速可靠的工业CT数据传输系统研制

为满足工业CT数据传输的大容量、高速度和高可靠性要求,设计了基于USB2.0接口芯片的工业CT数据传输系统。在数据传输过程中,FPGA作为主控制器,USB2.0芯片CY7C68013A工作于Slave FIFO模式,将从数据采集系统获得的数据传输给上位机进行图像重建。测试结果表明,数据传输速度可达33 MB/s,传输准确率为100%,该系统能满足工业CT数据传输的要求。     

基于异构多GPU的锥束CT图像重建研究

针对锥束CT图像重建系统中GPU型号不一致问题,提出了基于异构多GPU的重建模型。该模型基于FDK算法进行重建,采用了按计算能力进行任务分配的方法,确保各GPU计算平衡。采用数据流分解的方法,实现了海量数据的图像重建。给出了该重建模型基于CUDA的实现方法,包括采用流管理和异步函数来实现多GPU并行计算以及滤波和反投影核函数的流程设计。利用高精度工业CT系统进行模型的实验验证。结果表明：所建立的重建模型正确有效,能充分发挥系统中异构多GPU的计算能力,执行效率高。     

基于FPGA与USB2.0的工业CT数据采集系统设计

为满足工业CT锥束扫描方式数据传输的高速高可靠性要求,设计出基于FPGA与USB2.0的数据采集系统。系统选取DDC264作为模数转换芯片。主控芯片FPGA控制数据采集的时序并缓存数据。USB2.0接口芯片CY7C68013A工作在Slave FIFO模式,将数据上传给PC机,用于以后的图像重建。系统软件设计主要包括FPGA程序设计与上位机程序设计。FPGA程序最后转换为数字硬件电路,使用Verilog HDL语言编写,上位机程序提供人机交互界面,使用C#语言编写。该设计的采集系统适合在多通道的X射线工业CT中应用。     

基于PCI Express工业CT数据传输卡的设计与实现

介绍了工业CT数据传输系统中的基于PCI Express(以下简称PCIE)总线的数据传输卡的设计和实现.工业CT数据传输系统以普通的基于PCIE总线架构的PC为开发平台,系统能实现的关键技术之一是实时地接收海量底层数据.PCIE数据传输卡实现将工业CT底层数据实时地传送到PC的内存共享缓冲区中,数据传输采用中断方式.采用xilinx公司的spartan-3系列FPGA来实现总线的逻辑接口控制,采用FIFO结构的数据缓存器做为数据缓冲区,PCIE数据传输卡工作转台稳定,读写速度可达到256MB/s,保证了数据传输的连续性和完整性.     

基于FDK的任意轨迹重建算法研究

为克服工业CT扫描较大工件时CT成像系统有效透照厚度受限,在FDK算法的基础上,突破常规的直线、圆和螺旋轨迹扫描模式,研究推导了任意轨迹的扫描模式。并将FDK算法推广到任意轨迹上,弥补了投影数据的缺失,实现了复杂结构件三维CT重构的任意轨迹重建算法。进行了倾斜圆、马鞍线等扫描轨迹的重建,结果表明:该方法具有扫描速度快、时间短的特点,更能提高长宽比较大的结构件重建质量,是医学CT和工业CT常用的算法,且适用于不同设备各种扫描轨迹。     

基于USB2.0的小型工业CT数据采集系统的研制

针对小型工业CT系统探测器数量不多、体积小、传输距离不长等特点,设计了一种基于小间隔探测器、FPGA和USB2.0的数据采集系统。系统选取X-CARD 0.2-256G作为探测器芯片。主控芯片FPGA控制前端探测采集的时序并缓存数据,再通过USB接口芯片EZ-FX2LP CY7C68013A把数据上传给PC机便于以后的图像重建。该系统已通过实验验证,结果表明USB传输速度可达33.2 MB/s,能满足小型工业CT数据采集的要求。     

巨大长型物体的双直线扫描断层成像

本文从实际应用背景出发，对直线源轨迹的扇束重建公式进行了简单推导，给出了相应的计算机模拟结果，同时根据实际情况提出了双直线轨迹的图像重建公式，最后将此算法推广到三维锥束图像重建，克服了传统三维图像重建中在锥角处误差很大的缺点。     

Development of a real-time magnetic island reconstruction system based on PCIe platform for HL-2A tokamak

A real-time magnetic island reconstruction(MIR) system based on PCI express platform for HL-2 A tokamak is introduced. The front-end analog circuit and high performance analog-to-digital converters complete high-precision synchronous sampling of 18 channel Mirnov signals, and the application of PCIe platform and direct memory access technology enables high speed data transmission between graphics processing unit and field programmable gate array(FPGA).FPGA, as a mainstream high speed parallelizable computing tool, was used to implement the MIR algorithm, while a parameter table is established in an external double data rate SDRAM to improve the computational efficiency. The software of the MIR system is developed with Compute Unified Device Architecture 8.0 in Centos 6 system, which mainly realizes driver development, data transmission, network communication, parameter calculation and system control. This system has been tested in HL-2 A plasma discharge experiment, and the reconstructed magnetic island structure can achieve a spatial resolution of 1.02 cm while the time resolution can reach 2 ms.     

SRAM型FPGA的静态与动态单粒子效应试验

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在空间电子设备中取得了广泛的应用。但它内部大量的SRAM型存储单元极易发生单粒子软错误,特别是配置存储器中的单粒子翻转,有可能改变整个电路的结构,给其空间应用带来严重的可靠性问题。因此,有必要开展地面加速器模拟试验以评价该器件对单粒子效应的敏感程度,且对系统在空间中的失效行为进行预估。本工作在重离子加速器上对Xilinx的Virtex系列FPGA进行了单粒子效应试验,取得了典型器件的静态单粒子翻转截面曲线。针对3个测试电路进行的动态测试表明,系统的失效率远低于内部存储器发生翻转的频率,也不能简单地用资源占用率来进行估计。     

基于SEM的FPGA抗单粒子翻转技术研究及验证

随着FPGA片内纠检错技术的发展,Xilinx公司在旗下的SRAM型FPGA上应用了一种名为软错误修复(SEM)的加固技术,大幅提升了配置RAM的单粒子软错误检测和修复效率。但这种片内加固技术本身需要使用一定的逻辑和存储资源,同样也有发生单粒子软错误的风险。本文分析了应用SEM加固技术的必要性和存在的问题,提出一套基于SEM的FPGA抗单粒子翻转解决方案,并给出了在XC7K410T型FPGA上的试验验证结果,验证了加固技术的有效性。     

一种用于重离子治癌的剂量控制器设计

剂量控制器是重离子治癌主动型束流扫描系统中的重要组成单元,通过它与位置控制器配合使用实现束流辐照位置 剂量联动,能控制束流按三维空间点分布逐点扫描,每个点的辐照剂量严格控制在处方剂量。本控制器采用FPGA技术,在ACEX1K50芯片上实现了剂量的控制及SDRAM控制。本文介绍了剂量控制器的控制原理和各模块的具体实现过程,对将要进一步展开的重离子治癌工程具有广阔的使用前景。     

Prediction of low-LET ion induced single event upset cross sections for advanced SRAM

This paper describes a simple circuit-level simulation-based approach to predict single event upset cross section induced by low-linear energy transfer (LET) ions for advanced bulk static random access memory (SRAM). A basic Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) model with effective collection depth considered is developed for performing single event analysis quickly and efficiently. Through this circuit-level simulation model, radiation effects can be shown as the SPICE-simulated curve of LETs versus the corresponding affected distances, which are used for upset cross-section prediction. Furthermore, a fine-grain geometric model for cross-section prediction with fine sensitivity coefficient considered is utilized in the prediction. The calculated results based on this method are in good agreement with experimentally measured results reported for six-transistor SRAM fabricated in 90 nm and 65 nm process technologies.     

不同偏置下CMOS SRAM辐射损伤效应

通过对CMOS SRAM器件在7种不同的偏置条件(包括静态偏置和动态读写偏置)下进行电离辐射总剂量效应的研究,获得了不同偏置条件下SRAM器件功耗电流和功能出错数随累积剂量的响应关系。实验结果表明偏置条件对SRAM器件辐射损伤情况有较大影响,相对5种静态偏置,动态读写偏置所受辐射损伤较不敏感,其功能失效阈值也较大;SRAM总剂量效应存在印记现象,辐照时器件存储状态对辐照损伤有一定影响。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

SRAM辐射效应测试装置的研制与应用

SRAM辐射效应测试装置由主机和下位计算机测试板构成,可在多种辐射源下进行SRAM单粒子翻转、单粒子锁定等实验.介绍了SRAM辐射效应测试装置的硬件、软件构成及有关测试技术.利用该装置在激光辐射效应实验装置及HI-13串列加速器上成功地进行了SRAM的辐射效应实验.通过对SRAM芯片电流的检测,断电保护解决了在SRAM实验过程中SRAM芯片的损坏问题.     

Proton induced single event upset cross section prediction for 0.15 μm six-transistor (6T) silicon-on-insulator static random access memories

In this paper, an efficient physics-based method to estimate the saturated proton upset cross section for six-transistor (6T) silicon-on-insulator (SOI) static random access memory (SRAM) cells using layout and technology parameters is proposed. This method calculates the effects of radiation based on device physics. The simple method handles the problem with ease by SPICE simulations, which can be divided into two stages. At first, it uses a standard SPICE program to predict the cross section for recoiling heavy ions with linear energy transfer (LET) of 14 MeV-cm²/mg. Then, the predicted cross section for recoiling heavy ions with LET of 14 MeV-cm²/mg is used to estimate the saturated proton upset cross section for 6T SOI SRAM cells with a simple model. The calculated proton induced upset cross section based on this method is in good agreement with the test results of 6T SOI SRAM cells processed using 0.15 μm technology.     

手持式单板500MHz采样率数字化多道设计

针对Cs2LiYC16:CE(CLYC)闪烁晶体、掺硼塑料闪烁体等中子/γ探测器的电流脉冲波形的甄别,需要高速数字化多道脉冲幅度分析器。采用直接耦合方式设计高速模拟前端电路,将高速模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)配合现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)芯片实现数字化设计,在FPGA内部实现了高速数字滤波、脉冲幅度提取、基线扣除、谱线存储与传输等功能。通过嵌入式的Power PC内核,实现替代外部控制器的复杂时序功能,并挂接通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)外设芯片实现与外部计算机的高速双向数据传输。本文还设计了低噪声、大电流的开关电源,最终实现了可脱机独立运行的手持式单板高速数字多道。通过实测数字多道的模拟前端电路大信号带宽达110 MHz,小信号带宽达200 MHz,实时采样率为500 MHz,脉冲计数通过率大于107 s-1,线性度达0.999 8,连接NaI(Tl)、掺硼塑料闪烁体、LaBr_3(Ce)等闪烁体探测器实测谱线合理,满足实际使用要求。