基于FPGA的数字多道脉冲幅度分析器设计.pdf

第2 6 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 现代地质 G E O S C I E N C E V o I 2 6N o 6 D e c 2 0 1 2 基于F P G A 的数字多道脉冲幅度分析器设计 曾卫华1 ( 1 中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 ，魏秋菊2 1 0 0 0 8 3 ；2 f - H L 地质职工大学，河北石家庄0 5 0 0 81 ) 摘要：数字化多道脉冲幅度分析成为多道分析技术的主流，介绍了一种基于单F P G A 芯片的数字脉冲幅度分析器的设 计。采用E P 3 C A O Q 2 4 0 作为数字核信号处理器，将A D C 采集到的核信号进行数字积分、寻峰、阈值检测等数字处理， 并得到能谱。系统通过高速R S 4 8 5 接口实现数字多道与上位机能谱分析软件的通信。最后给出了由N a I ( T 1 ) 探测器得到 的核信号经数字多道处理后获得的”7 C s 能谱图。 关键词：数字多道分析器；F P G A ；数字积分；R S 4 8 5 中图分类号：P 6 3 1文献标志码：A文章编号：1 0 0 0 8 5 2 7 ( 2 0 1 2 ) 0 6 1 3 1 7 0 5 D e s i g no fD i g i t a lM u l t i - c h a n n e lA n a l y z e rB a s e do nF P G A Z E N GW e i h u a l W E IQ i u j u 2 ( 1 S c h o o lo fC e o p h y s i e sa n df n J b r m a t i o nT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，B e l t i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 H e & iV o c a t i o n a lC o l l e g eo f G e o s c i e w e s ，S h i i a z h u a n g ，H e b e i0 5 0 0 8 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：D i g i t a lm u l t i c h a n n e lp u l s eh e i g h ta n a l y s i sb e c o m e st h em a i n s t r e a mo fm u l t i - c h a n n e la n a l y s i st e c h n o l o g y Ad i g i t a lm u l t i c h a n n e la n a l y z e r ( D M C A ) b a s e do n as i n g l eF P G Ac h i pi si n t r o d u c e d T h en u c l e a rs i g - n a l sa r ep r o c e s s e db yE P 3 C 4 0 Q 2 4 0 I tu s e sd i g i t a l s i g n a l sa c q u i r e db yA D Ct od oc a l c u l u s ，s e e kt h ep e a k s ， d i s c r i m i n a t et h et h r e s h o l d ，a n dt h e nf o r mt h ee n e r g ys p e c t r u m D M C Ac o m m u n i c a t e sw i t ht h eR S 4 8 5b u si n t e r f a c e T h es o f t w a r eo nP Cc a nc o n t r o lD M C Aa n dd i s p l a ye n e r g ys p e c t r u m A n dt h ee n e r g ys p e c t r u mo f 3 C si s g i v e n ，w h i c hi s o b t a i n e df r o mN a I ( T I ) d e t e c t o ra n dp r o c e s s e db yD M C A K e yw o r d s ：d i g i t a lm u l t i c h a n n e la n a l y z e r ；F P G A ；d i g i t a lc a l c u l u s ；R S 4 8 5 0引言 等领域口 。 数字多道脉冲幅度分析器( D M C A ，D i g i t a l M u l t i - C h a n n e lA n a l y z e r ) 是核辐射测量分析仪器的 关键组成部分。它能够将随机快速的模拟核信号 进行快速模数转换并获取数字核信号，并对数字核 信号进行数字积分、寻峰、阈值判别等，从而得到 核能谱。2o 。和传统模拟多道相比，数字多道具 有分析速率快、脉冲通过率高、能检测更多的脉 冲信息、采用可编程器件实现灵活的数据处理算 法、硬件受环境温度影响小、功耗低、体积小等 优点，使得数字多道脉冲幅度分析器能广泛应用 于核谱分析、核辐射测量、工业c T 以及医疗c T 1 数字多道脉冲幅度分析原理 全数字化技术的出发点是尽可能早地将核信 号的原始波形先采样下来，保留核事例尽量多的 原始信息，然后根据信号分析的目的用数字处理 的手段从采样信号中提取”曲j 。它可以同时获得 核脉冲信号的波形信息、时间信息和能量信息，因 而能够较方便地实现一些模拟技术难以实现的功 能，其分析精度、灵活性都优于模拟分析“ 一引。 所以多道分析器的数字化可有效地提升核谱仪的 性能，进一步推动核谱仪的应用以及测量和分析 水平的发展。 收稿日期：2 0 1 2 0 6 1 5 ；改回日期：2 0 1 2 0 8 2 6 ；责任编辑：潘令枝。 基金项目：中央高校基本科研、I k 务费专项资金资助项目( 2 9 2 0 1 2 5 9 ) 。 作者简介：曾卫华，男，讲师，1 9 7 8 年出生，地球物理工程专业，主要从事地球物理仪器的教学与科研工作。 E m a i l ：z w h c u g b e d u c n 。 万方数据 1 3 1 8现代地质 在核辐射测量中，对于单个核辐射事件，核 辐射探测器输出信号波形可表示为： 移( t ) = A ( e 。厅一e - t P 、c )( 1 ) 以N a I ( T 1 ) 探测器为例，其中7 _ 为信号上升时 间，其值一般小于1 斗s ；t 。为信号下降时间，取 决于负载电路的时间常数，一般为2 s 左右；A 是信号幅度1 。因此，N a I ( T 1 ) 探测器输出核信号 的最高频率约为1 0M H z 。由抽样定理可知，采样 频率至少需要2 0M H z ，因此本文采用采样速率为 6 5p 。s s 的A D 9 6 4 9A D C 来进行采样，能满足对核 信号采样的要求。下面是一种以单片F P G A + A D 9 6 4 9 的数字多道脉冲幅度分析器的设计和实现 方案。 2 系统总体设计 数字多道的硬件设计方案可分为分离器件型、 模数混合型、多处理器型和可配置型等。其中分 离器件型方案具有较高的脉冲通过率，但是灵活 性很差。模数混合型方案系统组成复杂且开发成 本较高。多处理器型方案功能最为强大，但是实 现困难而且成本非常高。可配置型方案具有系统 组成简单、算法实现灵活、开发成本低等优点。 近年来，国内外将可配置芯片F P G A 应用于数字 多道分析器的报道屡见不鲜，这些应用一般都是 将F P G A 和D S P 数字信号处理器混合使用，由F P G A 实现逻辑功能，D S P 实现核脉冲信号处理功 能。本文尝试用单片F P G A 核心芯片实现数字多 道分析功能。 设计的数字多道脉冲幅度分析器由A D 转换、 F P G A 、S R A M 、通信接口、电源等几部分组成( 图 1 ) 。经过前端处理后的核脉冲模拟信号送人到高 速A D C 进行模数转换，A D C 在F P G A 的控制下将 模数转换后的数字信号送人到F P G A 内部F I F O ， 数字化的核脉冲信号在F P G A 内经滤波预处理、 极零相消、数字积分和峰值检测处理得到核脉冲 图1D M C A 系统总体设计框图 F i g 1 B l o c kd i a g r a mo fD M C As y s t e m 峰值，核脉冲峰值信号形成核能谱数据后存放于 F P G A 外扩的S R A M 存储器。核能谱数据通过高速 R S 4 8 5 接口送到上位机( P C 机) 做核谱分析处理， 或通过1 6 位并行总线接口与其他核谱处理终端连 接。为了降低高速A D C 输入信号的抖动和相位噪 声，输入模拟信号( V I N ) 和时钟信号( C L K ) 均采 用差分输入方式。电源部分负责将输入的7 1 2V 直流电源转换成F P G A 和A D C 等芯片需要的1 2 V 、1 8V 、2 5V 、3 3V 、5V 直流电源。 3 硬件电路设计 3 1 实现核脉冲信号处理的F P G A 设计采用型号为A h e r a 公司的E P 3 C 4 0 Q 2 4 0 的 F P G A 芯片作为多道系统的数字信号处理器。它负 责完成A D 转换控制、核脉冲数字信号处理、 R S 4 8 5 通信控制等功能。A h e r a 公司的这种芯片是 应用S O P C 技术，集高密度逻辑单元( F P G A ) 、静 态存储器( S R A M ) 及嵌入式处理器( A R M ) 于单片 可编程逻辑器件上，实现了速度与编程能力的完 美结合。E P 3 C 4 0 Q 2 4 0 片内集成的硬件资源有： 3 96 0 0 个逻辑单元、11 3 4R b i t 的R A M 、1 2 6 个乘 法器、4 个锁相环。在F P G A 内部，高速A D 转 换控制模块和核脉冲数字信号处理模块是并行处 理的，两个功能模块通过F P G A 内部R A M 实现的 F I F O 连接。与单D S P 系统构成的数字多道相比， 用具有并行处理能力的F P G A 芯片构成的数字多 道可有效减少多道分析的死时间。同时能简化多 道分析器的硬件电路设计，有利于降低数字多道 的功耗。 3 2 预处理前端及A D 转换电路设计 从核探测器输出的信号经初步放大后送入预 处理模拟前端电路( 图2 ) ，再送至模数转换电路 进行模数转换。单端模拟核脉冲信号通过 A D A 4 9 3 7 转换成抗干扰性更好的差分模拟信号， 然后送入图3 所示的A D 转换电路中完成模数转 换。A D 转换器选用采样速率为6 5M s p s 的 A D 9 6 4 9 6 5 芯片，A D 9 6 4 9 在F P G A 芯片的控制 下进行高速A D 转换。A D 转换器是数字多道分 析器的关键部件，其性能是影响数字多道分析精 度的主要因素引。A D 9 6 4 9 具有如下特点：( 1 ) 转 换位数，1 4 位；( 2 ) 采样速率，3 6 5M s p s ；( 3 ) 低功耗，工作模式7 5m w ，休眠模式3 4m w ；( 4 ) 输入方式，差分方式；( 5 ) 输出方式，1 4 位并行 总线；( 6 ) 微分非线性，0 3L S B ；( 7 ) 积分非线 万方数据 第6 期 曾卫华：基于F P G A 的数字多道脉冲幅度分析器设计 G N D GND己 G N D 黧 F B - 21 2 罂廷乏 丽 1 2A M PP D 。P D J 1 o C 2 2 甚T nrp R 2 52 0 0 A Dr NP2【N + 险O U T I lA Do U Tl2 F 矗， b s I GNS I GCNA DI NN3r 1 1 0 A Do L r rI L 上m：。： I N - ll U U l + r 、o。19V C M 5 0l O u F 7 6 8 F B + 害雪望譬V u o 罕州 图2 模拟前端电路 F i g 2 S c h e m eo ff r o n t e n da n a l o gc i r c u i t 品 图3 模数转换电路 F i g 3 S c h e m eo fa n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o n 性，0 5L S B 。 A D 9 6 4 9 6 5 具有分辨率高、转换速率快、操 作简便、功耗低等优点，特别适合高速数据采集、 图像处理、通信等领域。 3 3R s 4 8 5 接口 数字多道分析器的能谱数据要通过总线接口 才能送至上位机谱处理系统，设计采用了高速半 双工R S 4 8 5 差分总线作为数字多道的通信接口( 图 4 ) 。T I 公司的S N 6 5 H V D 0 8 D 是一款宽压供电的高 速R S 4 8 5 收发器，通信速率为0 1 0M b p s ，工作 电压可为3 3V 或5V 。在F P G A 内部构建U S A R T 通信模块，F P G A 将位于S R A M 的能谱数据写至 U S A R T 模块即可将其转换成R S 4 8 5 数据发至上位 机。和U S B 接E l 相比，高速R S 4 8 5 接口电路简单， 上位机侧只需配备一个高速U S B 接口的R S 4 8 5 转 换器即可；无需编写上位机U S B 驱动程序，可进 ) V 图4 高速R S 4 8 5 接口电路 F i g 4 S c h e m eo fh i g h s p e e dR S 4 8 5i n t e r f a c e 一步简化谱数据处理软件的设计。 4 软件设计 4 1 数字积分与寻峰 探测器输出信号经前置放大等预处理后送入 到高速A D 变换电路，由数字积分得到电荷积分 万方数据 1 3 2 0现代地质 信号。A D 转换器进行连续高速采样，由F P G A 完成数字核信号积分、峰值检测、阈值判断等 功能。 设积分宽度为r ，积分输出信号为u 。( t ) ，输 入信号为U ( t ) ，对U i ( t ) 进行积分： 厂f U 。( t ) = IU i ( 丁) d r ( 2 ) J 卜r 如U ，( t ) 满足条件：当一T t 0 时，U ( t ) = 0 ；那么( 1 ) 式可变换为： ， U o ( ) = f U i ( 丁) 一U i ( 丁一r ) d z ( 3 ) J 当U 。( t ) 对的一阶导数为0 时，U 。( t ) 出现极 值。且p ：当d U 。( t ) d t = 0 时，U i ( r ) 一U 。( 丁一T ) = o ( o 丁t ) ，U 。( t ) 为极值。当d U 。( t ) d ( t ) 由正 变负时，U ，( 丁) 一U i ( 下一T ) = 0 ( 0 下t ) 由正变 负，U 。( t ) 此时为极大值，反之为极小值。据此可 在连续的输人信号中找到各核脉冲的峰值。因此 F P G A 将A D 转换得到的离散信号U ，( 7 , ) 进行移 位F 个时间间隔得到U i ( 玎一T ) 。当杉。( 2 ) 一U ，( 凡 一丁) 由正变负，那么此过程中U ( 凡) 一U 。( 2 一T ) = 0 为U 。( 凡) 的峰值。因此可将峰值记录到S R A M 中对应的道址。为提高寻峰效率，寻峰之前需要 对离散脉冲信号进行阈值判断，对幅值低于下阈 值的信号( 如基线电平信号) 不进行寻峰处理，可 大大减少参与寻峰的离散核脉冲信号。 4 2 上位机软件设计 上位机软件采用B o r l a n dC 一集成开发环境开 发，实现的功能包括：R S 4 8 5 串口通信、系统参 数设置、能谱显示、能谱数据管理等。图5 是能 谱显示模块程序流程图。 5 性能指标 设计实现的数字多道脉冲幅度分析器实现了 核脉冲采样、能谱获取功能，使用此数字多道脉冲 幅度分析器测量了”7 c s 的射线在q b 7 5m m 7 5m m N a I ( T 1 ) 探测器上的能谱( 图6 ) 。数字多道脉冲幅 度分析器的基本性能指标如下：( 1 ) 道数= 10 2 4 道( 5 1 2 81 9 2 道可设置) ；( 2 ) 能量分辨率8 6 ； ( 3 ) 积分非线性 0 8 ；( 4 ) 微分非线性 2 0 0k c p s 。 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 牛 褂4 0 0 0 0 轻 ： 2 0 0 6 结论 设计了一种基于F P G A 的数字多道脉冲幅度 分析器。F P G A 上实现数据采集、数字核信号积分 与寻峰、R S 4 8 5 高速数据传输，并编写了主机上 的能谱显示程序。采用N a I ( T I ) 探测器探测m C s 的核信号，经数字多道脉冲幅度分析器处理后得 到”7 c s 的10 2 4 道能谱，其能量分辨率接近8 ， F P G A 内部逻辑资源的使用率还不到3 0 。数字 多道脉冲幅度分析器的基本功能已实现，下一步 研究将在该硬件平台上实现数字滤波、核脉冲波 形成形、基线消除、堆积判弃等数字核脉冲处理 算法。通过后续工作，数字多道脉冲幅度分析器 的功能会更加完善、性能将进一步提升。 图5 能谱显示模块程序流程图 参考文献： F i g 5P r o g r a mf l o wd i a g r a mo fs p e c t r u md i s p l a ym o d u l e 1 王磊，庹先国，成毅，等基于D S P 的数字多道脉冲幅度分 万方数据 第6 期曾卫华：基于F P G A 的数字多道脉冲幅度分析器设计 1 3 2 l 析器设计 J 核电子学与探测技术，2 0 0 9 ，2 9 ( 4 ) ：8 8 0 8 8 2 葛良全，曾国强，赖万昌，等航空数字伽玛能谱测量系统 1 1 的研制 J 中国核科学技术进展报告，2 0 0 9 ( 1 ) ：1 9 2 3 肖无云，魏义祥，艾宪芸，等数字化多道脉冲幅度分析技 术研究 J 核技术，2 0 0 5 ，2 8 ( 1 0 ) ：7 8 7 7 8 8 敖奇，魏义祥，文向阳基于D S P 的数字化多道脉冲幅度分 1 2 析器设计 J 核技术，2 0 0 7 ，3 0 ( 6 ) ：5 3 2 5 3 4 马飞，魏义祥。文向阳一种用于溴化镧探测器的小型多道 采集电路 J 核电子学与探测技术，2 0 0 9 ，2 9 ( 5 ) ：1 1 7 9 1 3 一1 1 8 1 任家富，周建斌，穆克亮，等基于D S P 技术的多道脉冲幅 度分析器的设计 J 核电子学与探测技术，2 0 0 6 2 6 1 4 ( 5 ) ：5 8 0 5 8 1 ， G r e yM ，G o l d s t e nJ ，M a u r e rR ，e ta 1 D a t aa c q u i s i t i o nf o rt h e c o m b i n e di o na n dn e u t r o ns p e c t r o m e t e r ( C I N S ) J N u c l e a r 1 5 I n s t r u m e n t sa n dM e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c hB ，2 0 0 9 ，2 6 7 ： 】3 9 一】4 3 8 L e eJ uH a h n ，J u n gH y oS o o n ，C h oH w aY o u n ，e ta 1 An o v e l 1 6 d i g i t a lp u l s e - - s h a p ea n a l y s i sf o rh i g h - - r e s o l u t i o np o s i t i o n s e n s i t i v e g a m m a r a ys p e c t r o s c o p y J N u c l e a rS c i e n c e ，2 0 1 0 5 7 ： 2 6 3 1 2 6 3 7 9 B y u nSH ，C h i nK ，P r e s t w i c hWV ，e ta 1 AD S P b a s e dm u l t i 一 1 7 c h a n n e la n a l y z e rf o rs i m u l t a n e o u sa c q u i s i t i o no fc o i n c i d e n c ea n d a n t i c o i n c i d e n c es p e c t r a J N u c l e a rI n s t r u m e n t sa n dM e t h o d si n 1 8 P h y s i c s R e s e a r c hB ，2 0 0 7 ，2 6 3 ：1 1 6 1 1 8 1 0 C o s i m oh n p e r i a l e ，A l e s s i oI m p e f i a l e O nn u c l e a rs p e c t r o m e t r y p u l s e sd i g i t a ls h a p i n ga n dp r o c e s s i n g J M e a s u r e m e n t ，2 0 0 1 ， 3 0 4 9 7 3 V e g aJ ，M u r a r iA ，C a r v a l h oB ，e ta 1 N e wd e v e l o p m e n t sa tJ E T i nd i a g n o s t i c s ，r e a l t i m ec o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o na n di n f o r m a - t i o nr e t r i e v a lw i t hp o t e n t i a la p p l i c a t i o nt oI T E R J F u s i o nE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n ，2 0 0 9 ，8 4 ：2 1 3 6 2 1 4 4 R o b e r tG r z y w a c z A p p l i c a t i o no fd i g i t a lp u l s ep r o c e s s i n gi nn u c l e a r s p e c t r o s c o p y J N u c l e a rI n s t r u m e n t sa n dM e t h o d si nP h y s i c s R e s e a r c hB ，2 0 0 3 ，2 0 4 ：6 4 9 6 5 9 B o g o v a cM ，J a k s i cM ，W e g r z y n e kD ，e ta 1 D i g i t a lp u l s ep m c e s g o rf o ri o nb e a mm i c r o p r o b ei m a g i n g J N u c l e