Модуль ввода-вывода информации системы цифровой рентгенографии (стр. 5 из 12)
Число градаций в изображении зависит от медицинского назначения. Аналого-цифрового преобразования на 8 бит, обеспечивающего точность 0,4%, вполне достаточно для регистрации зашумленных изображений или больших массивов (меньшей ступени градации яркости соответствует больший уровень шума), однако для ряда приложений может понадобиться и 10-битовый АЦП (точность 0,1%).
Если требуется быстрый доступ к информации, полученной за длительный период времени, целесообразно применять оптические диски. Емкость памяти 12-дюймового оптического диска равна примерно 2 гигабайта, что соответствует 1900 изображениям, состоящим из 1024х1024 элементов изображения и "глубиной" оцифровки в 8 бит (256 ступеней шкалы яркости) каждое (без сжатия данных). Для считывания с оптического диска может быть использовано автоматическое устройство съема, позволяющее обеспечить быстрый доступ к любому изображению. Возможность работы со всеми изображениями в цифровой форме весьма привлекательна, а системы, выполняющие это, называются системами хранения и передачи изображения (СПХИ) [1],[4].
Записанное на фотопленке изображение можно преобразовать в цифровую форму с помощью сканирующего микроденситометра, но любая информация, зафиксированная на фотопленке со слишком малой или, наоборот, слишком высокой оптической плотностью, будет искажена из-за влияния характеристик пленки. В цифровую форму можно преобразовать и ксеро- рентгенограмму также с помощью сканирующего денситометра, работающего в отраженном свете, или путем непосредственного считывания зарядового изображения с селеновой пластины.
3.4 Преобразователи формы информации для устройств аналогового ввода-вывода
Устройства ввода аналоговой информации являются гибридными аналого-цифровыми устройствами. Мультиплексоры аналоговых сигналов, измерительные усилители, схемы выборки и хранения представляют аналоговую часть интерфейса ввода аналоговой информации. Цифровую часть представляют аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Проектирование, производство и использование АЦП и ЦАП оказывают существенное влияние на характеристики ввода аналоговой информации.
АЦП преобразуют входные аналоговые сигналы в цифровую форму, ЦАП – цифровые сигналы – в аналоговые.
В устройствах сопряжения аналоговых объектов с цифровыми системами сбора и обработки данных ЦАП могут иметь двойное применение: во-первых, входят в состав АЦП, основанных на компенсационных принципах; во-вторых, выступают как элементы интерфейсов вывода, когда цифровая информация преобразуется в аналоговую форму для управления объектом исследований.
Существует некоторый набор системных требований, которые являются общими для АЦП и ЦАП. К ним относятся функциональная ориентация и системная совместимость.
Функциональная ориентация АЦП и ЦАП становится все более необходимой в связи со все большей направленностью интерфейсов ввода-вывода аналоговой информации на определенные типы систем и процессов.
В соответствии с этим АЦП в устройствах ввода аналоговой информации придаются вполне определенные дополнительные функции, которые обеспечивают более эффектное использование центрального процессора за счет разгрузки его от рутинных операций.
Системная совместимость АЦП в интерфейсе ввода аналоговой информации заключается в метрологической согласованности АЦП с предшествующими ему аналоговыми элементами.
Из наиболее важных системных параметров, определяющих технический уровень АЦП, обычно отмечают следующее[8]:
· входные – вид и диапазон изменения входного сигнала, входное сопротивление;
· выходные – вид выходного кода и уровни выходных сигналов;
· статические – разрешающая способность, инструментальная погрешность, температурный коэффициент;
· динамические – частота отсчетов, апертурное время;
· производительность – пропускная способность, бит/с;
· конструктивные – техническое исполнение;
· экономические – стоимость.
Системные параметры ЦАП:
· входные – вид входных кодов и уровни опорных напряжений;
· выходные – полярность и диапазон выходного напряжения или тока, нагрузочная способность;
· статические характеристики – погрешность квантования, инструментальная погрешность, температурный коэффициент;
· динамическая погрешность – время установления или скорость нарастания входного сигнала;
· производительность – пропускная способность, бит/с;
· конструктивные – техническое исполнение;
· экономические характеристики – стоимость, эксплуатационные расходы.
Если проанализировать перечисленные характеристики АЦП и ЦАП, то можно заметить их большое сходство. По характеру преобразований АЦП и ЦАП представляют собой дуальные преобразователи. Кроме того, большинство точностных параметров АЦП определяется относительно входного, преобразуемого напряжения, т.е. приводится к входу.
Дуальный характер АЦП и ЦАП приводит к тому, что их основные статические параметры имеют одну и ту же физическую природу и поэтому их рассмотрение может быть совмещено. Отклонения от идеальной передаточной характеристики преобразователя вызываются смещением характеристики (рисунок 3.2, а), изменением ее крутизны (рисунок 3.2, б), а также нелинейностью (рисунок 3.2, в, 3.2, г). Погрешности, вызванные нелинейностями, относятся к наиболее трудноустранимым, поскольку они не могут быть ликвидированы регулировкой. Существуют два основных метода уменьшения этих погрешностей, которые оба достаточно дороги:
· использование высококачественных преобразователей;
· алгоритмические методы коррекции с применением микропроцессоров или микрокомпьютеров.
а) б)
в) г)
Рисунок 3.2 – Характеристики АЦП
а – Влияние смещения характеристики преобразования АЦП;
б – Влияние изменения коэффициента преобразования на характеристики преобразования АЦП;
в – Влияние интегральной нелинейности на характеристики преобразователя АЦП;
г – Влияние дифференциальной нелинейности на характеристики преобразования
Интегральную нелинейность большинство производителей используют как характеристику своей продукции. Вместе с тем часто используется и дифференциальная нелинейность, которая характеризует дивиацию шага квантования по уровню (см. рисунок 3.2, г). Во многих случаях преобразователи характеризуются обоими видами нелинейности.
Для интегрирующих АЦП преобладающей является интегральная нелинейность, обусловленная главным образом нелинейностью интегратора. Дифференциальная нелинейность возникает вследствие нестабильности частоты счетных импульсов.
Важной характеристикой преобразователей является разрешающая способность, которая определяется числом разрядов выходного кода АЦП или входного кода ЦАП.
3.5 Устройства ввода аналоговой информации с децентрализованным управлением
Устройства ввода аналоговых данных непрерывно совершенствуются в направлении не только более высокой разрешающей способности и повышенного быстродействия, но и приобретения способности управления непосредственно процессом преобразования аналоговых данных и передачей результатов преобразования центральному процессору. В этом случае кроме традиционных блоков устройства аналогового ввода содержат дополнительные, обеспечивающие выполнение соответствующих операций.
Обычно внутренним блокам управления придают следующие функции:
· управление режимом опроса аналоговых каналов;
· обеспечение для устройства ввода аналоговых данных прямого доступа в память центрального процессора без участия последнего.
Первые две функции могут реализовываться запоминающим устройством (ЗУ), включенным в устройство аналогового ввода.
Внутренняя память устройства ввода аналоговых данных содержит значения коэффициентов усиления Кус измерительного усилителя, а также программы трех режимов работы в следующих случаях:
· когда выполняется однократное считывание результата измерения выбранного канала, который запоминается в памяти процессора;
· если выбирается один канал ввода аналоговой информации, подключаемый на заданное время через преобразующие устройства к центральному процессору;
· если осуществляется непрерывный опрос каналов с запоминанием результата в памяти.
Использование прямого доступа в память позволяет эффективно передавать блоки данных между внешними устройствами и центральным процессором.
Практической реализацией можно считать устройство аналогового ввода DT 2782 (DT 2784) [9]. Устройство состоит из двух подсистем:
· аналого-цифрового преобразования;
· контроллера прямого доступа в память, работающих в конвейерном режиме.
Пока выполняется очередное аналого-цифровое преобразование, по каналу прямого доступа производится передаче предыдущего результата.
Рисунок 3.3 – Устройство ввода DT 2782 с прямым доступом в память
Управление процессом прямого доступа выполняется с помощью трех регистров. В 16-разрядном регистре CSR (рисунок 3.3), в соответствующие разряды которого записываются признаки ошибок в аналого-цифровом преобразовании, запросы на прерывание, если устройство работает в режиме ввода по прерыванию, фиксируется переход из режима прямого доступа в память, часть разрядов используются для адресации каналов аналогового мультиплексора, расширение регистра текущего адреса ADR для управления адресуемого в режиме прямого доступа пространства памяти, прекращения прямого доступа при ошибках в логических схемах управления и т.д. [10].