Design eines beugungsbasierten Röntgengerätes

Der Kunde

Ein weltweit führender Anbieter von Lösungen zur Sicherheitskontrolle.

Die Herausforderung

Der Kunde beauftragte Promwad mit der Entwicklung eines neuen Röntgengerätes, das Objekte scannen und ihre atomare Struktur bestimmen soll, um explosive Materialien schnell aufzuspüren.

Die Lösung

1. Hardware-Design

Im Rahmen des Projekts haben wir die folgenden Leiterplatten entworfen:

Das Motherboard ist die Hauptplatine, auf der FPGA-SoM und Messplatinen installiert sind.
Das Singleboard ist eine Messplatine mit eingebauten Detektoren und ASICs.
Das Syncboard ist eine Erweiterung für das Motherboard; es baut die interne Gerätesynchronisation auf.

Das Motherboard basiert auf dem Opal Kelly FPGA SoM XEM7310. Dieses System-on-Module wird von einem Xilinx Artix-7 FPGA unseres Partners betrieben.

Das Motherboard kann die folgenden Parameter überwachen:

Temperatur und Luftfeuchtigkeit des Boards
Stromverbrauch für jeden Karteneinschub
Eingangsspannung und -strom

Wir haben einen USB-zu-drei-UART- und einen JTAG-Konverter für Debugging und Diagnose der Geräte installiert.

Für die Kühlung der Komponenten haben wir sechs Steckplätze für Gehäuselüfter vorgesehen, um die Drehzahl zu steuern.

Um Daten von den ASICs und den höheren Boards zu sammeln und an das untere Board zu übertragen, dient der FPGA MachXO3 unseres Technologiepartners Lattice Semiconductor.

Eine weitere Platinen-Komponente, die STM32L431 MCU von STMicroelectronics, wurde eingesetzt, um die Firmware des FPGA und der vorgelagerten Platinen zu aktualisieren, die Stromversorgung und die ASICs zu steuern und die Temperatur der Platine zu überwachen.

2. Softwareentwicklung

Das Gerät enthält mehrere Messplatinen, die in Aufbau und Konfiguration identisch sind. Sie unterscheiden sich nicht voneinander.

Eine MCU konfiguriert und steuert die ASICs und andere Peripheriegeräte der eigenen Messkarte: ADC, DAC, Temperatursensor, Leistungssensor. Darüber hinaus sorgt die MCU für den Transport von Steuer- und Überwachungsbefehlen vom Motherboard zu den Messplatinen.

Die SPI-Schnittstelle überträgt Befehle und Antworten über ein definiertes Protokoll. Die Hauptfunktionslast wird durch das FPGA getragen.

Das Motherboard enthält ebenfalls einen FPGA-Chip. Seine Hauptaufgabe ist es, Daten von allen Messkarten zu sammeln. Das Herzstück der FPGA-Architektur ist der AXI Memory Map Systembus. Alle Module sind mit der AXI-Memory-Map verbunden, die Flexibilität und Skalierbarkeit des Systems gewährleistet.

Das Hauptmodul auf dem Bus ist der Mikroprozessorkern Soft MCU, der auf den logischen Ressourcen des FPGAs implementiert ist. Die MCU empfängt Befehle vom Host über den USB-Bus und konfiguriert alle anderen Module entsprechend dem vorgegebenen Algorithmus. Das Funktionsschema ist unten dargestellt.

3. Mechanisches Design des Gehäuses

Im Rahmen des Projekts haben wir ein industrielles und mechanisches Design für ein Gehäuse für mehrere Leiterplatten mit ASIC-Chips entwickelt.

Hauptziel war die Entwicklung eines Geräts mit minimalen Abmessungen, kompaktem Platinenlayout und Kühlung.

In der ersten Entwurfsphase haben wir thermische Berechnungen durchgeführt, um die optimale Anordnung der Komponenten auf der Platine, die Abstände zwischen den Platinen, das Gehäusedesign und andere Merkmale zu ermitteln.

Wir haben fast zwanzig Iterationen durchgerechnet, um die optimale Variante zu finden. Während der Berechnungen haben wir das Design der Rückwand geändert, wodurch es möglich wurde, den Strom durch den Platinenbereich umzuleiten.

Die wichtigsten Gehäuseteile bestehen aus einer Aluminiumlegierung und Messing, die mittels Fräsen hergestellt werden. Wir haben auch Bleche mit Perforationen an den Befestigungspunkten der Lüfter entworfen. Auf der Sensorseite befindet sich ein 250-400 Mikrometer dickes Gitter.