CZ305373B6 - Uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření - Google Patents

Abstract

Uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření, jenž tvoří adaptační deska (3) a základová deska (45) s mini počítačem (4) zahrnujícím procesor (43). K adaptační desce (3) je pomocí zemnicího konektoru (31) a signálového konektoru (33) připojen nejméně jeden zobrazovací detektor (1) záření uspořádaný na stackové destičce (2), který je přes signálový konektor (33) připojen pomocí pinů na propojovací konektor (5), přičemž samotná adaptační deska (3) je propojena s mini počítačem (4) pomocí pinů propojovacího konektoru (5).

Description

Vynález se týká uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření.

Dosavadní stav techniky

Doposud je známo několik zařízení, která mohou komunikovat se zobrazovacím detektorem záření známého pod označením „Timepix“. Všechna zařízení jsou určena jen pro čtení z přístroje, který musí být připojen k PC. Zařízení umožňující čtení z přístroje ve spojení s počítačem je známé pod označením „FITPix“. Zařízení bylo vyvinuto v Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze. Jedná se o zařízení, které ovládá a vyčítá data ze zobrazovacích detektorů záření „Timepix“. A lze jej připojit k osobnímu počítači pomocí USB konektoru. Obsahuje v sobě programovatelné hradlové pole, které se stará o komunikaci mezi počítačem a detektorem. Dále pak zajišťuje ostatní technickou podporu detektoru (zdroje napětí, konvertory napěťových úrovní, atd.). Zařízení „FITPix“ umožňuje číst data ze zobrazovacích detektorů rychlostí až 80 snímků za sekundu. Zařízení nepracuje samostatně, je vždy nutné ho připojit k počítači, kde je ovládáno obslužným softwarem. Další zařízení známé pod označením „Timepix Single“ (STPX 65K) bylo vyvinuto ve společnosti Amsterdam Scientifics. Toto zařízení podobně jako zařízení „FITPix“ je nutné připojit k počítači, kde je ovládáno obslužným softwarem. Obsahuje také programovatelné hradlové pole a potřebnou podporu pro detektor záření. Zařízení se připojuje pomocí standardního internetového kabelu (křížený UTP kabel) buď přímo k počítači, nebo do síťové infrastruktury. Zařízení umožňuje číst data ze zobrazovacích detektorů záření s rychlostí až 120 snímků za sekundu.

Podstata vynálezu

Vynález řeší uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření zahrnujícího zobrazovací detektor záření, který je možné připojit do veřejné sítě a dále přes tuto sít umožnit komunikaci s příslušným centrálním serverem obsahujícím databázi.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny uspořádáním přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořen adaptační deskou s mini počítačem zahrnujícím procesor, přičemž k adaptační desce je pomocí zemnícího konektoru a signálového konektoru připojen nejméně jeden zobrazovací detektor záření uspořádaný na stackové destičce, který je přes signálový konektor připojen pomocí pinů na propojovací konektor, přičemž samotná adaptační deska je propojena s mini počítačem pomocí pinů propojovacího konektoru.

Hlavní předností oproti současným systémům je možnost použití mini počítače zabudovaného přímo v zařízení. To významně rozšiřuje možnosti připojení a použití zařízení.

Mini počítač obsahuje veškerou logiku zařízení od nízko úrovňové komunikace s detektorem záření, čtení dat z detektoru, předzpracování a analýzu dat až po jejich vizualizaci uživateli. Moderní mini počítače též obsahují několik periferií, které je umožňují spojit s okolním světem. Procesor použitý v mini počítači může být s výhodou typu ARM.

Popisované uspořádání zobrazovacího systému pro detekci záření využívá dvou takových periferií, a to ethemetového rozhraní a USB rozhraní. Do USB rozhraní je možné připojit běžně dostupný USB Wi-Fi adaptér, který zařízení rozšiřuje o možnosti připojení k bezdrátovým sítím

-1 CZ 305373 B6

Wi-Fi. Pokud se systém navíc připojí k baterii, může pracovat zcela autonomně a lze jej díky WiFi adaptéru ovládat bezdrátově. To je hlavní přednost systému.

Software uložený v paměti mini počítače, který je součástí systému, se nejen stará o komunikaci se zobrazovacím detektorem záření „Timepix“, ale také vytváří webové rozhraní, kterým je možné celý systém ovládat. Protože jde o webové rozhraní a díky bezdrátovému připojení, je možné systém ovládat z jakéhokoliv bezdrátového zařízení, které umí zobrazovat webové stránky (počítač, mobilní telefon, tablet, atd.). Webové rozhraní umožňuje jak nastavit veškeré parametry zobrazovacího detektoru záření, měření, tak také vizualizuje aktuální naměřená data dodávaná ze zobrazovacího detektoru záření. Umí zobrazit statistiky (počty různých částic) nebo spektrum měřené radiace. Naměřená data můžou být ukládána přímo v mini počítači na jeho vnitřní paměť, či případně na připojený USB disk anebo mohou být přes internet posílána na sdílený disk nebo centrální datový server. Ze systému mohou být data stáhnuta přes integrovaný FTP server.

Konstrukce jednotlivých součástí systému umožňuje provozovat jeden čí více zobrazovacích detektorů záření „Timepix“ současně. Tyto zobrazovací detektory záření lze pomocí konektorů spojovat nad sebou. Takovéto spojení je umožněno použitím speciálních čipových desek, na kterých jsou připojeny zobrazovací detektory záření „Timepix“. Tyto desky mají konektory z obou stran aje možné je tedy navzájem propojit ve vrstvách nad sebe. Maximální počet snímků, které je zařízení schopné přečíst za 1 s je 15.

Objasnění výkresů

Vynález bude objasněn pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je zobrazeno schéma hlavních bloků přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření, na obr. 2 je zobrazeno schéma mini počítače, na obr. 3 je zobrazeno schéma adaptační desky se vzájemným propojením jednotlivých součástek a obr. 4 znázorňuje uspořádání jednotlivých zařízení zapojených v monitorovací síti radiačních monitorů.

Příklady uskutečnění vynálezu

Uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření bude popsáno v následujícím textu.

Zobrazovací systém pro detekci záření známý pod označením „Raspix“ se skládá ze dvou hlavních částí, a to z adaptační desky 3 a mini počítače 4 opatřeného procesorem, jak je znázorněno na obr. 1.

Jak je patrné z obr. 1, je k adaptační desce 3 pomocí zemnícího konektoru 31, např. (DF12), a signálového konektoru 33, např. (DF12), připojen zobrazovací detektor i záření uspořádaný na stackové destičce 2. Samotná adaptační deska 3 je propojena s mini počítačem 4 pomocí pinového GPIO (General Input Output) konektoru 5.

Adaptační deska 3 v tomto provedení obsahuje zdroj 4 napětí pro zobrazovací detektor 1 záření a zdroj 38 vysokého napětí (předpětí) pro senzor zobrazovacího detektoru 1 záření. Dále obsahuje konvertory 32 CMOS napěťových úrovni na diferenciální proudový přenos LVDS a zemnicí konektor 31 a signálový konektor 33 pro připojení zobrazovacího detektoru 1 záření uspořádaného na stackové destičce 2. Díky použití stackových destiček 2, které obsahují konektory, například typu (DF12) uspořádané z obou stran stackové destičky 2, je možné připojit více zobrazovacích detektorů i záření nad sebe. Zobrazovací detektory I záření jsou potom připojeny do smyčky způsobem, že výstup prvního zobrazovacího detektoru i záření je připojen na vstup dalšího zobrazovacího detektoru I záření a výstup posledního zobrazovacího detektoru 1 záření je připo-2 CZ 305373 B6 jen na propojovací konektor 5 adaptační desky 3. Samotná adaptační deska 3 je pak propojena s mini počítačem 4 pomocí propojovacího konektoru 5. Jednotlivé obvody a součásti uspořádané na adaptační desce 3 včetně zobrazovacího detektoru i záření jsou připojeny na jednotlivé piny propojovacího konektoru 5 GPIO (General Input Output) a tím přímo na sběrnici mini počítače 4.

Schéma adaptační desky 3 je znázorněno na obr. 3. Adaptační deska 3 v tomto provedení zahrnuje zdroj 34 napětí pro zobrazovací detektor 1 záření, který je připojen přes signálový konektor 33 na propojovací konektor 5. Dále je na adaptační desce 3 uspořádán zdroj 38 vysokého napětí (předpětí), jenž je připojen, jednak na propojovací konektor 5, jednak na signálový konektor detektoru 33. Zobrazovací detektor I záření je připojen přes konvertor 32 úrovní k pinovému propojovacímu konektoru 5. LED dioda 36 a vypínací tlačítko 37 jsou připojeny taktéž na propojovací konektor 5.

Schéma mini počítače 4 (konkrétně Raspberry Pí) je znázorněno na obr. 2. Mini počítač 4 v tomto provedení obsahuje procesor 43 s integrovaným grafickým čipem, dva USB porty 41, do kterých je možné zapojit Wi-fi modul, jeden ethemetový port 42 určený k připojení komunikační sítě 7 kabelem, slot 44 pro SD flash kartu, na které je nahrán operační systém Linux a obslužný software a propojovací konektor 5 pro obecné použití.

Operační systém Linux běžící na mini počítači 4 zajišťuje základní činnosti mini počítače 4, tj. spravuje periférie mini počítače 4, zajišťuje síťové propojení přes ethemetové nebo Wi-fi připojení, spravuje ukládání a čtení souboru z flash SD karty a umožňuje aplikačnímu softwaru přistupovat k dalším periferiím mini počítače 4, jako například adaptační desky 3 připojené na propojovacím konektoru 5. Pro tento operační systém byl napsán na míru software/firmware, který se skládá ze dvou částí. A to nízkoúrovňové knihovny a webového uživatelského rozhraní. Nízkoúrovňová knihovna napsaná v C++ ovládá přes periferie mini počítač 4 a adaptační desku 3 a tím i zobrazovací detektor 1 záření. Pro transfer dat mezi mini počítačem 4 a zobrazovacím detektorem i záření je využito interní SPI rozhraní (Seriál Peripheral Interface) mini počítače 4, jež je připojeno na piny propojovacího konektoru 5. Ostatní obvody na adaptační desce 3 jsou ovládány přímo změnou napěťových úrovní na pinech propojovacího konektoru 5. Software nastavuje všechny parametry zobrazovacího detektoru I záření, provádí měření a čte data ze zobrazovacího detektoru I záření do paměti mini počítače 4, kde jsou předzpracována a zkonvertována na matici (256x256 pixelů). Data v této formě již mohou být uložena nebo zobrazena uživateli.

Druhá část aplikace, napsaná v Pythonu, provádí komunikaci s uživatelem přes webové rozhraní. Aplikace představuje v podstatě webový server 8, který poskytuje jednotlivé webové stránky, které vizualizují data, informují o stavu měření a umožňují měnit parametry měření a zobrazovacího detektoru i záření. Díky tomu, že aplikace poskytuje webové rozhraní, je možněji ovládat z jakéhokoliv webového prohlížeče. Jelikož může být systém připojen ke komunikační síti 7 kabelem přes ethemetové rozhraní nebo bezdrátově přes Wi-fi rozhraní, je možné ovládat aplikaci z jakéhokoliv zařízení, které obsahuje webový prohlížeč a umožňuje se připojit ke komunikační síti 7 (drátově, bezdrátově). Tento požadavek splňuje většina osobních počítačů, notebooků, tabletů a chytrých mobilních telefonů. Jako komunikační síť 7 může být použita lokální síť nebo i internet. Tak je možné zařízení kontrolovat jak v jeho blízkosti, například z mobilního telefonu, tak i vzdáleně přes internet.

Aplikace dále umožňuje analyzovat data. V naměřených snímcích jsou rozpoznány stopy jednotlivých částic a pro každý naměřený snímek je udělána statistika počtů typů částic. Je možné také analyzovat energii částic dopadlých na detektor i záření, z které je vytvořeno energetické spektrum. Výsledky všech těchto analýz jsou dostupné uživateli v podobě grafů a tabulek ve webovém rozhraní aplikace.

-3CZ 305373 B6

Díky informaci o energetickém spektru dopadajícího záření je možné zařízení použít jako radiační monitor 6. Naměřené snímky mohou být ukládány v paměti mini počítače 4 a posléze přečteny a zaslány k dalšímu zpracování, nebo může systém snímky posílat přes TCP/IP protokol přímo na centrální server 8 s databází 8E Spojením několika takových radiačních monitorů 6 potom může vzniknout monitorovací síť radiačních monitorů 6, jak je patrné z obr. 4.

Na centrálním serveru 8 s databází 81 potom běží další aplikace, která přijímá snímky z jednotlivých radiačních monitorů 6 a ukládá je do databáze 8E Každý snímek zanalyzuje, aby se získala informace o počtu a energii částic. Tyto informace jsou také uloženy do databáze 81. Serverová aplikace stejně jako aplikace v systému implementuje webové rozhraní, které umožňuje v podobě časových grafů a tabulek se statistickými údaji (počet částic, jejich energie) zobrazovat naměřená data.

Průmyslová využitelnost

Přenosný zobrazovací systém pro detekci záření je možné použít jako radiační monitor, radiační detektor či radiační kameru.

Claims (8)

1. Uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření, vyznačující se tím, že jej tvoří adaptační deska (3), základová deska (45) s mini počítačem (4) zahrnujícím procesor (43) a alespoň jedna stacková destička (2) se zobrazovacím detektorem (1), přičemž k adaptační desce (3) je pomocí zemnícího konektoru (31) a signálového konektoru (33) připojen zobrazovací detektor (1) záření uspořádaný na stackové destičce (2), který je přes signálový konektor (33) připojen pomocí pinů na propojovací konektor (5), přičemž samotná adaptační deska (3) je propojena s mini počítačem (4) pomocí pinů propojovacího konektoru (5).

2. Uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření, podle nároku 1, vyznačující se tím, že adaptační deska (3) zahrnuje zdroj (34) napětí, který je připojen přes signálový konektor (33) na propojovací konektor (5), přičemž dále je na adaptační desce (3) uspořádán zdroj (38) vysokého napětí, jenž je připojen na signálový konektor (33), a adaptační deska (3) dále obsahuje vypínací tlačítko (37), a LED diodu (36), které jsou připojeny na jednotlivé piny propojovacího detektoru (5).

3. Uspořádání přenosného zobrazovacího systému pro detekci záření, podle nároku 1, vyznačující se tím, že mini počítač (4) obsahuje procesor (43) s grafickým čipem, uspořádaný na základové desce (45), který je připojený jednak nejméně k jednomu USB portu (41), jednak k ethemetovému portu (42) a jednak k propojovacímu konektoru (5), přičemž na základové desce (45) je uspořádán slot (44) pro SD flash kartu obsahující operační systém Linux a obslužný software.

4 výkresy

-4CZ 305373 B6

Seznam vztahových značek:

1 - zobrazovací detektor záření,

2 - stacková deska,

5 3 - adaptér deska,

31 - zemnicí konektor (DFI2)

32 - konvertor CMOS napěťových úrovní na diferenciální proudový přenos LVDS

33 - signálový konektor (DFI2)

34- zdroj napětí pro detektor

10 35 - konektor napájení (0-24 V),

36 - dioda LED,

37 - vypínací tlačítko,

38 - zdroj vysokého napětí (předpětí) pro detektor,

4 - mini počítač

15 41 - dva USB porty,

42 - ethemet port

43 - procesor,

44 - slot pro SD flash kartu

45 - základová deska

20 5 - propojovací konektor

6 - radiační monitor (detektor)

7 - komunikační síť

8 - centrální server 81- databáze