队列缓存技术在虚拟多道脉冲幅度分析中的应用
基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器的设计与实现开题报告
基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器的设计与实现开题报告一、研究背景数字多道脉冲幅度分析器（Digital Multichannel Pulse Height Analyzer，DMPHA）是一种常用的电子学仪器，广泛应用于粒子物理学、核物理学、辐射测量、医疗诊断等领域，用于粒子能量、时间、通量等参数的测量和分析。
传统的DMPHA使用的是模拟电路，其工作原理是将输入信号通过放大、滤波等模拟电路处理后，转换为模拟电压信号，通过模拟电路实现能量分辨率和幅度分辨率。
然而，由于模拟电路的性能受到噪声、干扰等因素的影响，其能量分辨率和幅度分辨率受到限制，同时，由于模拟电路的复杂性和模拟电路本身具有的随机性，传统的DMPHA难以实现高速、高精度、高分辨率的测量。
近年来，随着FPGA技术的发展，FPGA逐渐成为数字多道脉冲幅度分析器的主要实现平台。
相比于传统的模拟电路，基于FPGA的DMPHA具有精度高、速度快、可重构性强等优点。
FPGA可以通过灵活的编程实现各种信号处理、数字滤波、数字信号分析等功能，能够提供高速、精确的测量结果，并且由于FPGA具有可重构性，在使用中可根据需求对其进行重新编程，使其具备适应不同任务的能力。
二、研究目的和意义本课题旨在研究基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器的设计与实现，旨在提高数字多道脉冲幅度分析器的速度、精确度和分辨率。
通过本课题的研究，可以掌握基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器的设计与实现方法，提高FPGA应用的能力，同时也可以为粒子物理学、核物理学、辐射测量、医疗诊断等领域的研究提供实用的工具。
三、研究内容和技术路线本课题的研究内容包括以下几个方面：1. FPGA数字多道脉冲幅度分析器的原理分析及设计要求。
2. 采用Verilog HDL语言实现数字多道脉冲幅度分析器的算法和设计。
3. 通过FPGA开发板进行验证和测试，并对设计进行优化。
4. 设计数字多道脉冲幅度分析器的操作系统和图形用户界面。
基于DSP技术的多道核脉冲幅度分析器的设计
基 于 ＤＳ Ｐ技 术 的 多道 核脉 冲 幅度 分 析 器 的设 计
任 家 富 ， 建斌 ， 克 亮 ， 娟 周 穆 林
（ 成都理工大学 ， 四川成都 ６０ ５ ） １０ ９
摘要 ： 介绍 以 ＤＳ ２ ０ 芯 片为核 心 ， Ｐ４７ 采用专用峰值幅度采样保持 电路 ， 根据输 入信号上升沿及 峰 值 信息进 行分析 的多道 核脉 冲幅度 分析器 系统 的原理和 硬件 结构 。在合金 分折 及 同 位素 密度 成像 系统 中， 采用本 脉冲幅度分析器进 行高速数据采集 ， 取得 了满意 的效果 也可适 用于其 他核脉 冲 信号 峰值幅
：
Ｉ
Ｉ． Ｉ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
测并保持峰值脉冲信号 ， 直至发送 Ｒ Ｔ复位信 Ｓ
号进行清除为止 。峰值保持 电路将脉冲转换峰 值 幅度相等 的直 流电平输 出， Ｐ Ｄ １比较 在 Ｋ ０ 器上用 直流 电平 与 原始 信 号进 行 比较 产 生过 峰
信号 。过峰信号为脉冲信号的后沿 。用这个信
的计数率 ， 由此可以得到一条核辐射谱线。
对模拟信号 的分类工作 。
１ 系统原理
核脉冲幅度分析器的原理如 图 １ 所示。当
信号输入时 ， 首先进入 峰值保持 电路 ， 将脉 冲
变成与峰值等值的直流电平 。该直流电平与原
始输入信号一起在过峰检测电路 中产生过峰信
号， 控制 电路得到该信号后启动模数变换器进
行Ａ ／Ｄ转换 ， 转换 的结果 送 入地址 寄存器 。
图 １ 多道 脉 冲幅度分 析器的原理 图
控制 电路 给出读命令 ， 选通对应地址 的存储单 元， 将该单元 的已有 内容读 入数据 运算 寄存
队列缓存技术在虚拟多道脉冲幅度分析中的应用
队列缓存技术在虚拟多道脉冲幅度分析中的应用叶全意;乐仁昌;蔡思静;何志杰;洪锦泉【摘要】介绍一种在LabVIEW平台下开发虚拟伽玛能谱仪中的实现方案中,为解决数据采集与计算机的脉冲幅度分析之间的运行速度不协调,利用LabVIEW中的队列缓存Queue技术,使核脉冲数据的采集和虚拟多道脉冲幅度分析之间能够达到协调运行,而不会发生丢失数据的现象.此方案体现出一定的优势.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)016【总页数】3页(P172-173,179)【关键词】Queue技术;LabVIEW;伽玛能谱仪;多道脉冲幅度分析【作者】叶全意;乐仁昌;蔡思静;何志杰;洪锦泉【作者单位】福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建,福州,350007【正文语种】中文【中图分类】TH842;TP274伽玛射线能谱测量是一种重要的核地球物理方法，在地球科学、核科学及环境科学中应用广泛，相关的研究是颇有意义的。
传统伽玛能谱仪的组成部分是：探测器、多道分析器、计算机。
具体工作原理是探测器将信号输入到谱分析器，多道脉冲幅度分析器将信号放大、整形，经过A/D转换后，将经过幅度分析后的数据输入计算机。
其中多道脉冲幅度分析器是最主要的模块之一。
但是，虚拟仪器技术的出现，改变了原来几乎所有的实验都必须依靠传统仪器才能实现的局面。
虚拟仪器(Virtual Instrument)是指由计算机作为控制以及数据显示、记录、处理部分的功能，加上一些板卡与外界的探测器或其他计算机不能集成的功能模块、仪器所组成的系统，而实现仪器的功能，主要靠软件来完成，即通常所说的“软件即仪器”。
多道脉冲幅度分析仪
软件支持将采集到的数据存储为 多种格式，如文本文件、Excel文 件等，方便用户随时调用和备份 数据。
数据处理与分析
01
02
03
数据预处理
对采集到的数据进行滤波、 去噪等预处理操作，以提 高数据质量。
特征提取
从处理后的数据中提取出 各种特征参数，如峰值、 峰-峰值、平均值等。
统计分析
对提取出的特征参数进行 统计分析，如计算均值、 标准差等，以评估信号的 特性。
宇宙射线研究
多道脉冲幅度分析仪还可用于测量宇宙射线中的粒子能量，研究宇宙射线的起源 和传播机制。
医学影像技术
医学成像
多道脉冲幅度分析仪在医学影像技术中用于测量放射性同位素 发出的能量分布，从而生成医学图像，如PET（正电子发射断层 扫描）图像。
放射性药物研发
通过多道脉冲幅度分析仪的测量结果，可以评估放射性药物 的活性和效果，为放射性药物的研发提供支持。
06 优缺点分析
优点
高效性
精确性
多道脉冲幅度分析仪能够同时记录多个通 道的信号，提高了信号采集的效率。
多道脉冲幅度分析仪具有高精度的模数转 换器，能够将模拟信号转换为数字信号， 提高了信号分析的精确度。
可扩展性
灵活性
多道脉冲幅度分析仪具有多个通道，可以 根据需要增加或减少通道数量，具有很好 的可扩展性。
信号
01
信号输出是将处理后的数字信号以适当的方式呈现给用户的过 程。
02
输出方式可以是图形、表格、数据等多种形式，用户可以根据
需要选择合适的输出方式。
输出结果应准确、清晰、易于理解，方便用户进行后续的分析
03
和处理。
03 硬件结构
输入模块
基于LABVIEW和数字多道脉冲幅度分析器的γ能谱分析软件的开发
具， 涵盖线性代数 、 概率统计 、 最优化 曲线拟合 等方面， 用户只需调用相应 图形模块并连线便
可实现功能， 这为编程提供 了极大的方便 ， 还为 数字信号处理提供有力的支持 ， 包括 了滤波、 去 噪等模块 ， 特别适用于处理复杂数 学运算的程 序编 制中。Ｉ Ｂ Ｗ 同时具有 和其 它语 言 ⅥＥ Ａ 如 Ｃ语言的接 口， 这使得它能调用其他语言 的 库函数 ， 完成更多 的编程任务 。Ｌ Ｂ ＩＷ 能 Ａ ＶＥ
工程学 院 ， 硕士研究生 ， 专业为信号与信 息处理 。
９ ６ ３
的一个特色之处就是提供 了大量的和实际仪器
维普资讯
控制面板类似的图形组件， 这使得界面编程极 其 简 单 ， 且在 计 算机 上 操 作这 些 图形 界 面 和 并 在现 实 中 操 作 实 际 仪 器 几 乎 完 全 一 致Ｌ 。 ２ 』
图 １ 系统框 图
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１ 系统构成
如图 １ 所示 ， ａ 探测器获得的核脉 冲信 ＮＩ 号经过放大、 滤波等处理后送入 Ｄ Ｃ Ｍ Ｉ Ａ模 块 ， 进 行模 数转 换 、 波 、 零 相消 、 形 成 形 和 峰 滤 极 梯 值检 测 等 处 理 ， 到 峰 值 数 据 ， 后 通 过 得 然
谱数据采集 系统是一个重要的研究课题。传统
的模 拟分 析技 术 方 法 中 ， ） Ｃ的速 度 、 辑 控 逻
传统的能谱分析软件 中， 多采用 Ｖ Ｃ语 言
编译 而成 ， 在程 序实 现过程 中 ， 有 的信号处 理 所
制、 高速信号处理 一直是 ＭＣ 数字化 的 ” Ａ 瓶 颈” 。随着高速 Ａ Ｃ Ｄ Ｉ Ｆ Ｇ Ｄ 、 Ｓ 、 Ｐ Ａ等新器 件 、 Ｐ 新技术的出现和发展 ， 解决以上提 出的” 瓶颈 ” 问题 已不再困难 。用全数字化技术来处理和分 析核脉冲信号能够较方便地实现一些模拟技术 难以实现 的功能。脉冲信号放大后 ， 不再通 过 阈值甄别 电路和峰值检测 电路展宽脉冲峰值 ， 而是 由高速 ） Ｃ实时采样， Ｆ Ｇ 和 Ｄ Ｐ 经 ＰＡ Ｓ 处理后得到精确的数字峰值。同时获得核脉冲 信号的波形信息、 时间信息和能量信息 ， 并将数 字峰值送入计算机中利用谱分析软件对信号进 行定性和定量分析 。其分析精度、 灵活性都优 于模拟分析。因此， ＭＣ Ｄ Ａ可有效地提升仪器
多道脉冲分析器原理与结构
多道幅度分析器原理在γ能谱测量中,线性脉冲放大器输出的脉冲幅度正比于入射射线的能量;分析脉冲的幅度就可以了解入射射线的能量,分析脉冲幅度的电路称为脉冲幅度分析器;其中,只测量一个幅度间隔内脉冲数的脉冲幅度分析器称为单道脉冲幅度分析器；可以同时测量多个幅度间隔内脉冲数的脉冲幅度分析器称为多道脉冲幅度分析器;多道脉冲幅度分析器的原理框图,如图所示;它的原理是利用A/D转换将被测量的脉冲幅度范围平均分成2n个幅度间隔,从而把模拟脉冲信号转化成与其幅度对应的数字量,称之为“道址”;在存储器空间里开辟一个数据区,在该数据区中有2n个计数器,每个计数器对应一个道址;控制器每收到一个道址,控制器便将该道址对应的计数器加1,经过一段时间的累积,得到了输入脉冲幅度的分布数据,即谱线数据;这里提到的幅度间隔的个数就是多道脉冲幅度分析器的道数,它由n值决定;根据上述多道脉冲幅度分析器的原理,可以得出多道脉冲幅度分析器要做的具体工作一方面是把前向通道输出的模拟信号进行模一数转换,并将其转换结果进行处理、存储和显示;一台完整的核地球物理仪器,常可分为两部分:核辐射探测器和嵌入式系统;多道脉冲幅度分析器是嵌入式系统的核心部分;多道脉冲幅度分析器一方面采集来自放大器的信号并进行模数转换,同时存储转换结果;另一方面将存储的转换结果进行数据分析,并直接显示谱线,或者通过计算机接口送给计算机进行数据处理和谱线显示;图多道脉冲幅度分析器框图多道脉冲幅度分析器的原理结构框图如图2-2所示;脉冲信号在通过甄别电路和控制电路时,甄别电路给出脉冲的过峰信息,并启动A/D转换;A/D转换电路对脉冲信号峰值幅度进行模数转换,并将转换结果存储在片上Flash中,由微控制器进行相应的数据处理;峰值检测电路峰值检测电路根据实际需求可分为两种类型:数字型和模拟型;数字式峰值检测电路要以高速处理器为核心,结合高速ADC,在采样脉冲的控制下,对信号进行连续测量,得到原始测量数据,再通过一种算法,解算出脉冲峰值信息;比如我们一个脉冲是l,us脉冲宽,那么我们至少在l,us内进行大于10次以上的ADC转换值,然后再对这些值进行处理,得到一个最大值,认为这个值是峰值,接着这个值与我们设定的阐值进行比较,如果是大于闭值,那么我们认为是一个脉冲峰值,否则,认为是干扰噪声,我们丢弃这个数据;这就要求我们的CPU 有足够的处理速度,ADC有足够快的转换速度;典型的方案是DSP处理器结合FPGA以及高速ADC;模拟型峰值检测电路相对就简单多了,只有在脉冲信号到来的时候,峰值检测电路给出过峰时间信息,启动ADC转换;难点在于这个峰值信息的获取,以及峰值信号的采样保持;从功能角度考虑,数字型峰值检测电路相对于模拟型峰值检测电路来说,具有更大的灵活性、准确性、可靠性等优点;但考虑到放大电路输出射线脉冲宽度的本身特性,综合了开发难度、开发周期、开发成本等实际问题,选用了模拟型峰值检测电路方案;多道脉冲幅度分析器是整个数据采集卡的核心部件,其结构图如图所示;多道脉冲幅度分析器的作用是将被测量的模拟信号转换成计算机所能识别的数字量,即完成对脉冲幅度的甄别;其工作原理是:不同幅度的模拟信号转换成对应的数字信号,这个数字代表一个道地址,以道地址作为存储器的地址码来一记录脉冲个数;各道地址的计数就可以把脉冲的分布情况表现出来;由于脉冲幅度大小是各元素辐射能量的不同表现,从而得到各元素辐射能量的分布情况;多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路以及ARM 嵌入式系统构成,控制核心为嵌入式系统LPC2142;下面将分别加以介绍;甄别电路和控制电路核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系,测量这些脉冲的幅度,就可以得到辐射的能量,可见,脉冲幅度测量技术在能谱测量中是一个重要的问题;在多道脉冲幅度分析器中,通过用甄别电路和控制电路来完成对脉冲幅度的测量;甄别电路和控制电路的原理图见图所示;甄别电路的主要功能是完成信号的过峰检测和去除信号噪声等;控制电路则是根据甄别电路提供的信号时序对模拟开关、模数转换进行控制;控制电路必须和甄别电路的时序严格结合起来,才能完成信号峰值的检测;甄别电路由两个比较器单元、分压电阻、低漏电容组成;比较器单元采用LM319,分别完成信号脉冲检测和过峰检测功能;U1A作为闭值比较器用以信号脉冲检测,当U1A的同相输入端电压高于反相输入端的电压闽值电压时,U1A的12端输出为高电平,认为有信号输入;调节UIA的5端电压,可以控制多道脉冲幅度分析器分析的最小脉冲幅度;UIB作为峰值检测比较器用以过峰检测,当峰值通过后,U1B的同相输入端电压高于反相输入端电压,U1B的7脚输出端为高电平,给控制电路提供脉冲过峰信息,由控制电路控制ADC的后续工作;控制电路的主要功能是响应脉冲检测电路的上升沿输出信号、响应过峰检测电路的上升沿输出信号以及响应微处理器的复位、置位信号,控制模拟开关MAX4O66,从而完成对A/D 读入/转换状态的控制;控制电路由D触发器74HC74构成;74HC74特性如表5一1所示;表5一1 D触发器74HC74特性表甄别电路和控制电路的具体工作过程如下:微处理器LPC2142通过口给控制电路发出信号,使控制电路处于工作状态;脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后,由甄别电路进行甄别,过峰后将峰值通过的时间信息提供给控制电路;.控制电路启动模数转换;A/D转换完毕后,微处理器控制中心产生中断,进行转换数据的读取、处理和存储工作,同时,将GATE门重新复位为O,使控制电路处于不工作状态;中断完毕后,微处理器LPC2142将GATE门置位为1,使控制电路重新处于工作状态,准备接收下一个脉冲信号这样,就完成了对一个脉冲信号的采集和处理过程,甄别电路和和控制电路的工作流程如图所示;峰值保持电路一般主放大器的输出脉冲信号的峰顶宽度很窄,不满足A/D转换的时间要求;采用峰值展宽电路对脉冲进行展宽和保持,使峰值保持足够长的时间,以保证A/D转换过程中峰值的稳定;峰值保持电路由CA3140放大器、开关二极管、低泄露保持电容等组成,电路图如图所示;图中,两个跟随器的作用在于阻抗变换,保证信号能够完全、不失真地输入到后级电路;脉冲信号通过开关二极管对电容充电,同时由CA3140放大器增强驱动能力,以便后续的A/D 转换器的准确采样;模数转换电路D转换器的选择A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量;对于多道脉冲幅度分析器而言,就是用于快速、准确地对输入的核脉冲信号进行采样编码、将脉冲幅度值转换成微处理器所能处理的数字量;转换后的数字量经过一定处理后作为存储器的道地址码,随之在该道地址码对应的存储器中进行加1运算,即完成一个脉冲的分析转换;A/D转换电路作为多道脉冲幅度分析器的一个关键部件,其性能好坏直接影响着整个系统的能量分辨率和转换精度等参数;在ADC器件选择上,主要从功耗、分辨率、转换速度和转换精度几个方面综合考虑,根据系统的实际要求选择合理的ADC芯片;虽然本系统中采用的嵌入式微处理器LPC2142内部集成了一个8路的10位ADC转换器,但经过多次试验证明:利用其自身的ADC模块进行A/D转换后,微处理器不能进入相应的A/D 中断服务程序读取转换结果,即使利用查询方式来读取A/D转换结果,其转换精度和速度也达不到要求;若采用外部ADC进行转换时,微处理器就能进入相应的A/D中断服务程序读取转换结果,且转换精度和速度符合系统要求;为此,我们采用了硬件上微控制器外接一块ADC 模块软件上,采用中断方式编写相应的A/D中断服务程序方案;这不仅提高了微处理器的执行效率,同时使系统软件设计更加简洁;表5一2列出了几种比较典型的ADC芯片对比参数;由表5一2对比可以看出,ADS774除了引脚和封装兼容AD1674以及与AD1674具有相同的O到10V模拟量输入范围,可以替代AD1674以外,更具有新的模拟量输入范围:单极性输入还可以连接成0到5V的范围;模拟量输入范围的降低,对于整个便携式系统降低功耗有着非常重要的意义;经过比较论证ADS774具有功耗低、转换速度快、单电源供电、控制简单、性价比高和新的模拟量输入范围等优点,综合考虑,本系统的ADC选用了ADS774芯片;在本系统的实际应用中,我们利用ADS774独特的输入电阻网络,将其模拟量输入范围设置为单极性O到+5V范围;由于内部采样电容阵列的输入范围为O到+,而ADS774的模拟输入必须转换为这个范围;具体接法是:ADS774的10V范围输入端悬空,20V范围输入端接地,脉冲输入信号由BIPOFF双极性补偿调整端进入;如图所示;D转换器与ARM的连接ADS774与嵌入式微处理器的连接如图所示;R1多道脉冲幅度分析器设计多道脉冲幅度分析器是多道数据采集系统的核心部件;多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路、ARM嵌入式系统组成,控制核心为嵌入式系统;它的基本功能就是按输入脉冲的幅度分类计数;多道脉冲幅度分析器将能够分析的脉冲幅度范围分成多个幅度间隔,幅度间隔的个数就是脉冲幅度分析器的道数,幅度间隔的宽度就是脉冲幅度分析器道宽;道数越多,幅度分布分析的越精细,各个道的计数相应减少,需要测量的时间就要加长,硬件电路也随着复杂,因此,不应盲目追求道数;通常,要求在幅度峰的半宽度范围内应有5-10道,对于采用NaI探测器的多道能谱仪,由于它的能量分辨率比较差,128道至256道就能满足测量要求;对于半导体探测器,则需要1024-8196道;4.1.1脉冲线性主放大器主放大器是放在前置放大电路和甄别电路之间,需要增益调节来补偿核辐射探测器输出脉冲幅度的变化;由于探测器输出的脉冲信号幅度比较小为几十毫伏至几百毫伏,脉冲宽度比较窄,为了能进行信号幅度分析,实现能谱测量,需要脉冲线性放大器将脉冲信号进行幅度的线性放大与脉冲的成形;脉冲放大器的主要技术指标有:1.放大倍数:应按放大器的输入脉冲幅度和所要求的输出幅度来确定;因为前放输出的电脉冲信号幅度一般可以调至几百毫伏左右,放大器输出脉冲幅度在1 ^-5V范围内,所以放大倍数应在10倍左右,考虑到前置放大器输出的信号幅度有差异性,放大倍数采用可调试;2.放大器的频带宽度:前放输出的脉冲宽度受有关电路影响,一般为几个us,因此,要求放大器的频带宽度为1 --2MHz3.放大器的噪声:考虑到来自前放的信号幅度比较小,要求选用的放大器的输入噪声应尽可能的小;选用低噪声的运算放大器元件可以有效减少电路内部固有的噪声;4.其他,诸如放大器的输入阻抗、抗计数过载、放大器的稳定性、功耗等在电路设计和调试时也应考虑;脉冲线性主放大器的电路示意图如图4-1和4-2所示可以接收前放输出的正脉冲或者负脉冲;由于α脉冲信号通过整形后大概有1-2个微秒的脉冲宽,γ脉冲信号通过整形后大概有3-5个微秒的脉冲宽,所以在选用运算放大器时要考虑到运放的转换速度;本系统运算放大器选用CA3140,它具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、温漂小等特点〔19,主要参数:开环增益:100dB;输入阻抗:1. 5 X 10120;增益带宽乘积:4. 5I4}-Iz ;转换速度:9V加s;工作温度范围:-55--+125o C主放大器的主要参数经测试或估算如下:放大倍数:5 ---15倍;脉冲幅度放大线性范围:20mV --5000mV,线性优于5%输出噪声:<1mV;工作电压:正负12V;工作电流:6. 2mA4.1.2峰值检测电路峰值检测电路由甄别电路和控制电路两部分构成,甄别电路的作为检测信号时序,控制电路是根据甄别电路的时序对模拟开关、ADC转换进行控制;控制电路必须跟甄别电路的时序严格结合在一起,才能完成峰值检测的任务;我们知道,核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系,测量这些脉冲的幅度,就可以知道辐射的能量;可见,脉冲幅度测量技术在核能谱测量中是一个重要的问题;甄别电路需要解决三个与信号相关的信息:超过阈值信号信息;过峰时间信息,即启动ADC转换的时间信息;ADC完成转换时间信息;甄别电路中存在以下三个关键问题,研究工作中要予以注意:由于放大器输出的α和γ射线脉冲宽度比较窄约l,us到5μs,本系统选用的ADC 转换速度为2,us,最快采样时间是5μs,所以对脉冲信号峰值要进行峰值展宽;采样保持电路要求采样速度快,保持时间能达到ADC采样时间指标;由于脉冲信号的随机性,防止信号来的过密而引起漏计;本系统采用2μs转换速度的ADC,所以从理论上分析,如果两个信号相隔2μs内,则会引起漏计,由于CPU处理速度等问题的存在,实际上这个时间间隔可能长3-10倍,即6μs --50μs之间根据CPU处理速度及代码量而定,甚至更多;实际信号出现这种情况几率很少,所以可以忽略这个问题;要解决由于信号过密,引起的幅度信号错误纪录;高能区的信号可能被误计为低能区的信号,容易引起低能计数偏大高能计数偏小的问题;甄别电路和控制电路的原理图见图4-3所示;甄别电路的主要功能是完成过峰检测和去除信号噪声的功能;通过设定闭值,将信号中能量小于阐值的噪声去;峰值通过后,提供信息控制电路;控制电路的主要功能是完成对A/D读入/转换状态的控制;控制电路由74LS74触发器构成,74LS74的特性如表4一1所示;甄别和控制电路具体工作过程如下:嵌入式微处理器控制中心给控制电路发出信号,控制电路处于工作状态;脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后,由甄别电路进行甄别,过峰值后将峰值通过的时间信息提供给控制电路;控制电路启动模数转换;模数转换完毕,嵌入式微处理器控制中心产生中断,同时使控制电路转入不工作状态,并进行相应的数据处理;中断完毕,单片机发信号使控制电路重新处于工作状态采样开始时,先由ARM通过控制74LS74来启动A/D,然后,使U201B的CD和U201A 的CD及SD端输出高电平,控制电路处于接收信号状态;当信号上升沿的能量低于设定的闭值电压时,U201B的CLK端为低电压,此时,U201B的CD, SD端均为高电平,输出端9脚保持原来的低电平不变;当信号上升沿的能量高于设定的闭压值时,U201B的CLK端为高电压,输出端9脚输出高电平,启动U201A;当脉冲没有达到峰值时,比较器U202A同相输入端电压低于反相输入端电压,12端输出低电压,过峰后,12端输出高电平,R/C输出低电平启动A/D转换;转换完毕后,由ARM重新控制A/D进行下一个脉冲信号进行采集;甄别电路和控制电路的工作流程如图4-4所示;4. 1. 3模数转换电路模数转换电路是核数据脉冲幅度分析器的核心电路,它的作用是:将模拟量转换成数字量,并将转换结果反馈给微控制;对多道脉冲幅度分析器而言,就是用于快速、高精度地对输入的核脉冲信号进行采样,将脉冲的幅度值转换成微控制器所能够处理的数字量;模数转换电路作为多道脉冲幅度分析器的关键部件,其性能的好坏直接影响整个系统的能量分辨率和转换精度等参数;表4-2列出了几种不同A/D芯片的对比参数;表4-2几种不同A/D芯片参数比较综合对多道脉冲幅度分析器的ADC芯片的主要性能指示如转换速度,功耗,转换精度等的考虑,本系统选用了ADI公司的AD7994, AD7994是4通道12位低功耗逐次逼近式ADC,通过工IC总线进行数据传输,选择器件地址及接口模式;最高采样率为188ksps,转换时间为2μs,工作电压提供为+5V单电源,使用外部参考电压4. 906V目前,由于大规模集成电路在制造工艺上的提高,A/D转换器在精度上可以做得很高,其微分非线性有了很大的改善;因此,在多道脉冲幅度分析器的设计时,选用高精度的12位A/D转换器AD7994,在实际工作中,采用“并道”的办法,每4道并作1道,则道宽非线性即可降低原来的1/4;这种方法尽可能地降低了由于ADC本身造成的非线性误差;。
基于CPLD+ARM的多道脉冲幅度分析器设计
１ 系统组成原理
本文设计 的多道脉冲幅度分析器主要由如
能谱采集系统 中。３ ２位 Ｃ ｒｘ Ｍ Ｒ ｏ ｅ — ３Ａ Ｍ嵌入 ｔ
式微处理器具有高性能 、 低功耗的特性 ， 并且提 供 了大量 的软件参考库 ， 能有效降低软件编程
和调 试难 度 ； 一 代 Ｃ Ｌ 新 Ｐ Ｄ芯 片 具 有 逻 辑 资 源
第３ ２卷
２１ ０ ２年
第１ 期
１ 月
核电子学与探测技术
Ｎｕ ｌａ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｃ ｅ ｒ Ｅ ｅ ｔｏ ｉ ｓ＆ Ｄｅｅ ｔ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｔ ｃｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ
Ｖ０． ２ Ｎ ． １３ ｏ １
Ｊｎ． ２ １ ａ ０２
基于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ＋ＡＲ 的 多道 脉 冲 幅 度 分 析 器 设 计 Ｍ
来 自模拟处理前端的核脉冲信号经甄别 电 路进行过峰检测后送入峰值保 持电路 ， 核脉 冲
收稿 日期 ：０ １ １ ０ ２ １ —１ — ９
峰值信号 经其 展 宽后 送至 模数 转换 电路 ， 由 ＣＬ Ｐ Ｄ芯 片控 制 Ａ Ｄ转换 过 程 ， 将 ＡＤ转 换 结 并
果 送 人 Ｃ Ｌ 内 的 ＦＦ 队 列 中 缓 存 ， ＰＤ ＩＯ Ｓ Ｍ ２ １３ Ｅ微处理器通过 １ Ｔ ３ Ｆ０ Ｚ ６位并行总线 以 中断方式读取 Ａ Ｄ转换结果 ，Ｔ ３ Ｆ０ Ｚ Ｓ Ｍ ２ １３ Ｅ对 量化后的核脉 冲数据进行分析处理 ， 一个输 对 入核脉 冲峰值 分析完 以后 ， Ｐ Ｄ控制逻辑恢 ＣＬ
９】
基金项 目： 中央高校基 本科 研业 务费 专项 资金 项 目 资助 （ ３ ０９ ９２ 。 ５ ２ ０ ５ １４） 作者 简介 ： 曾卫华 （９ ８一）男 ， １７ ． 江西上犹人 ， 中国地 质 大学 （ 京 ） 北 地球 物理 与 信 息 技 术学 院讲 师 ， 博 士， 从事 地球 物理新仪器 的研 究。
多道脉冲幅度分析仪
国内外发展现状
• 到 20 世纪 90 年代早期， ADC器件、可编 程逻辑器件、DSP 技术迅猛发展，核信号 数字处理技术的研究再次活跃起来， XIA、 ORTEC、CANBERRA 和 Amptek 等公司 都对数字多道分析仪的实际应用做了大量 研究。从 1997 年的第一批数字式多道分析 仪产品面向商业化，到目前己经推出了多 套同功能产品，而且其指标逐步提高
国内外发展现状
• 国内目前还没有成形的，面向商业的数字式核能 谱测量产品，但是一些大学和科研机构对数字式 能谱测量仪的研制也进行深入研究。四川大学物 理科学与技术学院在 ADC 前端的滤波成形、脉冲 成形、数字核能谱获取等方面有相关文献报告； 清华大学工程物理系也在这些技术上进行了深入 研究；第二炮兵工程学院对辐射信号的数字分析、 脉冲堆积判别、基线估计等方面做了相关的研究。 成都理工大学核技术与自动化工程学院采用曲线 拟合等方法对数字核信号进行处理，并研制了基 于 FPGA 的数字核谱仪。
核能谱测量系统
• 图中模拟信号的获取与处理部分，就是将核辐射探 测器输出的各种电信号，经过滤波，成形，放大等 处理，尽可能不失真地保持探测器输出信号所携带 的核信息。为了提高测量精度，需要将信号数字化， 把有用的模拟信号变成数字系统能够接收的二进制 数据，然后由数据获取和处理部分进行数据分析处 理，最后将分析处理的结果结合计算机软件分析得 到能谱信息。
• 3.3V电源以及1.5V电源模块，我们选择了低压差 线性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压器TPS73633、TPS73615，该芯片由TI 公司推出，其压差典型值仅为75mV，电路简单， 性能特别优秀。其输入电压范围为1.7V—5.5V， 具体电路如图所示。
电源模块
电源模块
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队列缓存技术在虚拟多道脉冲幅度分析中的应用叶全意,乐仁昌,蔡思静,何志杰,洪锦泉(福建师范大学物理与光电信息科技学院 福建福州 350007)摘 要:介绍一种在LabV IEW 平台下开发虚拟伽玛能谱仪中的实现方案中,为解决数据采集与计算机的脉冲幅度分析之间的运行速度不协调,利用LabV IEW 中的队列缓存Queue 技术,使核脉冲数据的采集和虚拟多道脉冲幅度分析之间能够达到协调运行,而不会发生丢失数据的现象。
此方案体现出一定的优势。
关键词:Q ueue 技术;L abV IEW;伽玛能谱仪;多道脉冲幅度分析中图分类号:T H842,T P274 文献标识码:B 文章编号:1004-373X(2008)16-172-02Application of Queue Technology in Virtual Mult-i channel Pulse Amplitude AnalysisY E Q uany i,LE Renchang ,CA I Sijing ,H E Zhijie,H ON G Jinquan(School of Physics and Opto -electronic T echno l o gy ,Fujian Norma l Universi t y,Fuzhou,350007,China)Abstract :A L abVI EW -based scheme fo r virtual Gamma -r ay spectr um is intro duced in this paper,in o rder to solve the lack of coo rdinat ion betw een t he data acquisitio n and analysis of comput er pulse amplitude.By using of Q ueue techno lo gy ,nucleus c s data co llecting and vir tual mult-i channel pulse amplitude analy sis can achieve the co or dinated,therefo re data w ill no t be lo st.T hat embo dies some advantages.Keywords :Q ueue;L abVI EW ;G amma -ray spectrum;mult-i channel pulse amplitude analysis收稿日期:2008-01-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(10575022)伽玛射线能谱测量是一种重要的核地球物理方法,在地球科学、核科学及环境科学中应用广泛,相关的研究是颇有意义的。
传统伽玛能谱仪的组成部分是:探测器、多道分析器、计算机。
具体工作原理是探测器将信号输入到谱分析器,多道脉冲幅度分析器将信号放大、整形,经过A/D 转换后,将经过幅度分析后的数据输入计算机。
其中多道脉冲幅度分析器是最主要的模块之一。
但是,虚拟仪器技术的出现,改变了原来几乎所有的实验都必须依靠传统仪器才能实现的局面。
虚拟仪器(Virtual Instrument)是指由计算机作为控制以及数据显示、记录、处理部分的功能,加上一些板卡与外界的探测器或其他计算机不能集成的功能模块、仪器所组成的系统,而实现仪器的功能,主要靠软件来完成,即通常所说的/软件即仪器0。
因此多道脉冲幅度分析器的功能也就理所当然地被软件所取代。
由于核脉冲信号的特殊性,决定了这里需要以高的采样率对其进行采集,才能采集到比较完整的脉冲顶信号。
这就产生了一个问题:即由于高采率所带来的大量的数据,计算机是否来得及进行多道脉冲幅度分析,如果来不及,就将造成大量数据的丢失,或者说造成死时间的显著增加。
所以,必须寻找一种新的方法,使数据采集与计算机的脉冲幅度分析之间达到协调运行。
而队列缓存Queue 技术正是本文所要讨论的解决方法。
1 问题概述一般来说,虚拟伽玛能谱仪设计的思路是:首先通过采集控制,读入原始数据,经过脉冲幅度分析,进行谱显示。
随后就可以根据相应的要求将数据进行谱平滑、谱寻峰、感兴趣区分析,含量计算等谱处理控制。
系统结构框图如图1所示。
图1 虚拟伽玛能谱仪系统结构框图其中数据采集、多道脉冲幅度分析、谱数据显示分别由于3个不同的子VI 来完成,传统的做法是首先进行数据采集,然后进行多道脉冲幅度分析,最后进行分析后的谱数据的显示,之后又进行下一轮的采集、分析、显示,如此周而复始,循环进行。
程序框图可由图2描述。
从图2中,可以很明显地看出,核脉冲的数据采集、虚拟仪器与应用叶全意等:队列缓存技术在虚拟多道脉冲幅度分析中的应用多道脉冲幅度分析、谱数据的显示按照一定的顺序进行。
一般来说,核数据采集程序是在后台运行,并将采集到的数据放置于预先开辟好的内存缓冲区,当内存缓冲区满时,采集程序将采集到的数据又从头开始放于内存缓冲区,即将覆盖内存缓冲区中原来的数据。
而多道脉冲幅度分析程序负责从内存缓冲区取得数据,并进行分析。
但是由于多道脉冲幅度分析需要一定的时间,这样就有可能导致数据丢失的现象产生。
可以设想一下,当多道脉冲幅度分析程序的速度比数据采集程序的运行速度慢时的情况:图2 虚拟伽玛能谱仪程序框图(1)核采集程序采集数据,并将数据送到内存缓冲区;(2)多道脉冲幅度分析程序从内存缓冲区取得新数据,进行分析;(3)核采集程序继续采集数据,但在内存缓冲区满时,将覆盖内存缓冲区中原来的数据。
而多道脉冲幅度分析程序仍然在分析第一次的数据。
它并没有得到新数据时,内存缓冲区的数据就已经被覆盖。
这样,由于两个程序运行速度不协调,造成了核数据的丢失,使虚拟伽玛能谱仪的死时间增加。
而如何使程序运行过程中,不会发生数据的丢失,正是本文所要解决的关键问题。
2 Queue 技术的应用为了更好地解决以上问题,这里提出在程序中应用队列缓存Queue 技术,并且为核脉冲的数据采集、多道脉冲幅度分析、谱数据的显示分别建立一个任务,使3个任务并行运行。
数据采集程序和多道脉冲幅度分析程序之间通过队列联系起来,而多道脉冲幅度分析程序和谱数据的显示程序之间通过全局变量联起来。
程序流程图如图3所示。
通过使用Queue 技术,并将3个任务并行运行,程序在运行过程时不会再发生丢失数据的现象。
因为采集程序通过队列与多道脉冲幅度分析程序相联系。
在数据采集任务中,将内存缓冲区中读取的数据放入队列中,而多道脉冲幅度分析程序则从队首取出数据进行分析。
当数据采集速度过快,而多道脉冲幅度分析程序较慢时,从内存缓冲区读取的数据将依次入队列,多道脉冲幅度分析程序则负责从队首取得数据进行分析,对那些由于采集速度过快而产生的数据,将在队列中保存,直到被取走为至。
这样就不会造成内存缓冲区中的数据因为还没有分析而被覆盖。
源程序如图4所示,其中的3个While 循环分别代表3个任务。
多道脉冲幅度分析程序使用动态链接库实现。
正是由于Queue 结构会起到缓存的作用,如果某一个任务运行得过快或过慢,Q ueue 就会起到约束或补偿作用,从而保证任务之间能够协调运行。
图3虚拟伽玛能谱仪采集程序框图图4 虚拟伽玛能谱仪采集及多道脉冲幅度分析程序源程序3 实验结果及结论图5为实测得到的137Cs 伽玛射线能谱(2048道)。
应用Q ueue 技术开发的虚拟伽玛能谱仪,所有采集到的数据均能得到有效的分析,也就是死时间将约等于0。
从实验的结果来看,这里引入队列缓存技术得到了比较好的效果,其性能也相当稳定。
当然仪器其他各项性能指标还须进一步的完善,这里相信随着虚拟仪器的发展,纯软件设计的合理的多道脉冲幅度分析器将是发展方向。
(下转第179页)程工具,注意有效地利用单片机硬件资源。
由于采用模块化技术,使系统程序更加简洁,占用内存容量少。
主程序工作流程见图3。
图3 主程序框图为了实现系统功能,每次上电后首先对显示器、DS1302及中断口和定时器初始化,然后显示日历时钟。
当有键按下时CPU 进行键盘中断处理,依功能键分类判断是否修改时钟,并进行相应的功能处理;当有转速信号进入时CPU 也将进行相应的中断处理,否则系统经过所设定的n s 后自动进入冻结状态。
下面给出中断处理程序流程图(见图4)。
图4 转速脉冲中断框图3 结 语本设计给出了单片机控制的红外数字转速表的设计方法、原理、信号检测、数据保护及时间读取等问题。
该系统可应用在自行车、摩托车汽车以及电机上等需要转速测量的场合,并可通过功能扩展广泛应用到其他领域。
参 考 文 献[1]樊尚春.传感器技术及其应用[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[2]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M ].北京:国防工业出版社,1999.[3]吴兴惠,王彩君.传感器与信号处理[M ].北京:电子工业出版社,1998.[4]雷思孝,李伯成,雷向莉.单片机原理及实用技术(凌阳16位单片机原理及应用)[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2004.[5]罗亚非.凌阳十六位单片机应用基础[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[6]何立民.单片机应用技术选编[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1998.[7]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1999.[8]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M ].北京:清华大学出版社,1996.[9]何信龙,李雪银.PIC16F87X 快速上手[M ].北京:清华大学出版社,2002.[10]李学海.PIC 单片机实用教程[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2002.作者简介 左翠红 女,1966年出生,副教授/高级工程师。
主要研究方向为电子学与信息系统。
(上接第173页)图5 实测137Cs 伽玛射线能谱参 考 文 献[1]杨乐平.L abV IEW 高级程序设计[M ].北京:清华大学出版社,2003.[2]方方.野外地面伽玛射线全谱测量研究[D].成都:成都理工大学,2001.[3]刘松秋.虚拟多道脉冲分析系统的设计[J].核电子学与探测技术,2001,21(6):433.[4]张晓华.虚拟仪器技术在多道分析系统中的应用研究[D].北京:中国原子能科学研究院,2004.[5]M easur ement Co mputing Co rp.PCI -DA S4020/12U ser c sGuide,2002.[6]蔡思静,乐仁昌,何志杰.虚拟仪器法设计数据快速采集C射线能谱仪[J].核技术,2007,30(5):463-466.[7]胡宾鑫.一种新型现场多道核能谱数据采集系统的设计[J].信息与电子工程,2004,2(2):129-132.作者简介 叶全意 女,1982年出生,江西上饶人,现为福建师范大学物理与光电信息科技学院硕士研究生。