（核技术及应用专业论文）基于fpga的x荧光分析仪数据采集系统设计.pdf

摘要 基于f p g a 的x 荧光分析仪数据采集系统设计 作者简介：吴军龙，男，1 9 7 8 年3 月出生，2 0 0 4 年师从于吴建平教授级高工， 于2 0 0 7 年6 月毕业于成都理工大学核技术及应用专业并获工学硕士学位。 摘要 主要是基于f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 设计一个以n i o s i i 为处 理器的便携式x 射线荧光分析仪数据采集系统。主要包括数据采集系统的硬件 设计和软件设计。硬件设计重点介绍了峰值保持电路的工作原理、a d c 、f l 峪h 、 s d r a m 及串口芯片的选取和设计。数据采集系统的软件设计主要介绍了s o p c 方案的确定，接口电路的设计及软件的设计等。给出了系统的测试结果，包括数 据采集系统的线性、稳定性及其它技术指标，最后给出了实际谱线测量结果。在 算法理论上，通过对信号的两种不同处理方式，实现对谱线的两种描述。一种是 对谱线的全局描述( 粗略的1 2 8 道描述) ，另一种是谱线的局部描述( 精细的1 2 8 道描述) 。 与国内现有数据采集系统相比，论文有以下特色和创新： ( 1 ) 采用f p g a 低功耗芯片； ( 2 ) 采用s o p c 技术，使设计紧凑，合理； ( 3 ) 利用i p 核技术，使设计简化，可靠性高； ( 4 ) 利用软核n 1 0 sl i 处理器，使设计更加简单，智能； ( 5 ) 提出了对数据处理的两种算法。 关键词：x 射线荧光分析仪；数据采集：f p g a ；s o p c 成都理i ：人学硕十学位论文 t h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mo fx - r a yf l u o r e s c e n c e a n a l y s i si n s t r u m e n tb a s e d o nt h ef p g a a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yi n t r o d u c e dt od e s i g nad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fp o r t a b l e x - r a yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i si n s t r u m e n tw h i c hu s e sn i o sl ia st h ep r o c e s s o r ，b a s e do n f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ed e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h es o f t w a r ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h eh a r d w a r e d e s i g ni n t r o d u c e dt h ew o r kp r i n c i p l eo fp e a kd e t e c t o re l e c t r i cc i r c u i t , a d c ，f l a s h ， s d r a m ，a n ds e l e c t i o na n dd e s i g no ft h er s 一2 3 2p o r t s y s t e ms o f t w a r ed e s i g no ft h e d a t aa c q u i s i t i o n sm a i n l yi n t r o d u c e dt h es o p cp l a nd e t e r m i n a t i o n ，d e s i g no fi n t e r f a c e e l e c t r i cc i r c u i ta n dd e s i g no ft h es o f t w a r ea n ds oo n t h es y s t e mt e s tr e s u l ti sg i v e n ， i n c l u d i n gl i n e a r o fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s t a b i l i t yo fi ta n do t h e rt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s f i n a l l y ，t h ea c t u a lr e s u l to fs p e c t r a ll i n es u r v e yi sp r o d u c e d i nt h e a r i t h m e t i ct h e o r y , t o wa p p r o a c h e si sa t t e n t i o n o f l ei sc a l l e df u l l d e s c r i p t i o n ( c u r s o r y 1 2 8c h a n n e l s ) ，t h eo t h e ri sc a l l e dp a r t - d e s c r i p t i o n ( r e f i n e d1 2 8c h a n n e l s ) c o m p a r i n gw i t ht h ed o m e s t i ce x i s t i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb e l o w , t h ep a p e r h a st h ee l i a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n n o v a t i o n ： ( 1 ) u s e t h e f p g a l o w p o w e r l o s s c h i p ( 2 ) u s et h es o p ct e c h n o l o g y , a n dc a u s et h ed e s i g nt ob ec o m p a c ta n d r e a s o r l a m e ( 3 ) u s et h ei pc o r et e c h n o l o g y , a n dc a u s et h ed e s i g nt ob es i m p l i f i c a t i o na n d l i a b i l i t y ( 4 ) u s et h es o f tc o r en i o si ip r o c e s s o r , a n dm a k et h ed e s i g nt ob es i m p l e ra n d i n t e l l i g e n c e ( 5 ) p r o p o s et w o m e t h o d so fd a t ap r o c e s s i n g k e y w o r d s ：x _ r a yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i si n s t r u m e n t ：d a t aa c q u i s i t i o n ：f p g a ；s o p c l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 黧鬻孑：该蠢彦彳 学位论文作粼关孚勿i 一年么月严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权成都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 7月4 日年 川 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义【1 l 。【4 】 自从德国物理学家伦琴于1 8 9 5 年发现x 射线，百余年来人们对x 射线的本 质有了透彻的了解。同时，基于x 线应用的各种理论、方法也日趋成熟和完善， 各种实用技术的研究与运用正方兴未艾【l j 。 基于元素的x 荧光的化学分析始于二十世纪三十年代初期。二十世纪四十 年代，建成了合适的x 射线发生器和x 射线分光谱仪形成了“波长色散x 荧光 分析方法”，其缺点是设备庞大、价格昂贵。另外，这种波长色散x 荧光分析系 统需要冷却、屏蔽x 光管、运行功消耗大。1 2 - - 十世纪五十年代，人们提出了一 些新的设想，主要针对用同位素放射源代替大功率x 光管和用具有脉冲幅度分 析的电子仪器代替x 射线衍射谱仪。这些设想变为现实后，就诞生了“能量色 散x 荧光分析方法”。同位素放射源技术与能量色散x 荧光探测器及其电子线路 的小型化导致便携式x 荧光分析系统的产生，但其能够在现场条件下使用。 随着新型探测器和电子学技术的发展，x 荧光分析仪的发展水平越来越高， 它具有造价低、功耗小、易操作、易维护等优点。智能化和小型化是目前能量色 散x 荧光分析仪的发展趋势。智能化要求系统的自动化程度高、操作简便、容 错性好。智能化除了需要控制软件外，还需要软件命令的执行者即硬件控制电路 来实现相应的控制逻辑，两者的结合才能真正的实现智能化。小型化要求系统的 体积小、功耗小、便于携带；小型化除了要求采用微功耗的器件，还要求电路板 的尺寸尽量的小且所用元件尽量的少，但小型化的同时必须保持系统的智能化， 即并不能减少智能化所要求的复杂的逻辑和时序的控制功能。为此采用高集成度 的c p l d f p g a 芯片实现控制电路能满意地同时满足智能化和小型化的要求。在 研制的能量色散x 荧光分析仪中，几乎所有的控制电路部分都可以用 c p l d f p g a 芯片来实现，如阈值设定、程控放大、自动稳谱以及多道数据采集， 在节省了元件的数目和电路板的尺寸的同时仍能保持系统的智能化程度1 4 】。 原位x 荧光分析是一种重要的核物理实验方法，无论是在核物理研究还是 在核技术的应用领域，都是一种十分重要的研究手段。特别是随着高分辨率半导 体探测器以及计算机的广泛应用，原位x 荧光分析水平得到了极大的提高，在 各个领域的应用得到迅速发展。利用现场x 荧光分析技术能够在野外现场对岩 石、土壤中的元素实现快速的定性、定量分析。在地质学研究、矿产资源评价、 矿山开采、选冶过程中可实现元素的定量分析。材料科学、生物医学、环境监测 成都理j 大学硕一l 学位论文 中也有大量成功应用实例 2 1 。 由此可见x 荧光分析用途十分广泛，应用前景非常广阔。值得一提的是2 0 世纪8 0 年代9 0 年代便携式x 射线荧光分析技术在我国矿产资源开发，尤其是 金矿勘察中发挥了巨大的作用，并将在新的一轮国土资大源调查中发挥重要的作 用。 1 2 国内外研究现状综述3 】- 【6 】 数据采集系统是x 荧光分析仪的重要组成部分，它的性能好坏直接对测量 结果的准确性并对x 荧光分析系统起着至关重要的作用1 6 1 。目i ； 数据采集系统的 发展是随着电子技术的发展而发展的，其更新换代很快。数据采集技术作为信息 科学的一个重要分支，它涉及到传感器、前期信号处理、模数转换、数据存储与 传输、总线接口技术以及设备驱动等多项关键技术，是一门综合应用技术。它研 究信息数据的采集、存储、处理及控制等，具有很强的实用性。随着微型计算机 的发展根据处理器的不同又可分为以下几种结构的数据采集系统： ( 1 ) 基于通用微型计算机( 如p g 机) 的数据采集系统。 这种系统主要功能是将山，d 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进 行处理，然后再显示处理结果或经过d a 转换输出此控制执行机构。系统有较 强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系 统进行工作。具有自主开发能力。系统的软硬件的应用，配置比较小，系统的成 本较高，但二次开发时，软硬件扩展能力较好。在工业环境中运行的可靠性差， 对安放的环境要求较高，程序在r a m 中运行，易受外界干扰破坏。 ( 2 ) 基于单片机的数据采集系统。， 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，是近年来微机技术快 速发展的结果，它具有如下特点：系统不具有自主开发能力。因此，系统的软硬 件开发必须借助开发工具。系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系 统功能要求为原则，具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。系统的 可靠性好、使用方便。应用程序在r o m 中运行不会因外界的干扰而破坏，而且 上电后系统立即进入用户状态。在一些工业的应用中，为了实现多个m c u 之间 的信息交流，利用c a n 、r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 等总线将m c u 组网，但是这种网络 的有效半径比较有限，有关的协议也比较少，并且一般是孤立于i n t e r a c t 以外的。 难以满足复杂、远程( 异地) 和较大范围的测控任务的需求。 ( 3 ) 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。 d s p 数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，常用的数字信 号处理芯片有两种类型，一种是专用d s p 芯片，一种是通用d s p 芯片。基于 2 第1 章引言 d s p 数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、灵活性好、可靠性 好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。 ( 4 ) 基于a r m 的数据采集系统。 随着科学技术和社会的进步，“高质量”，“低成本”成为产品生产的首要目标。 a r m 系列芯片资源丰富，内部有a d 模块$ 2 3 2 串口等等，可以嵌入式实时操 作系统a c o s i i ，但其开发复杂，移植操作系统困难，技术实现比较复杂。 ( 5 ) 基于f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 的数据采集统。 随着e d a 技术和f p g a 集成度的提高，f p g a 不但包括了m c u ( 微控制器 或单片机) 特点，并兼有串、并行工作方式和高速、高可靠性以及宽口径适用性 等诸多方面的特点，不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采 集技术的发展产生了深刻的影响，是未来发展的趋势。 n i o s i i 软核处理器是a l t e r a l 公司专门为s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ，即可编程的片上) 系统设计的一种c p u ，它以m 核( i p 核是具有知识产 权i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y 的集成电路芯核的简称) 的形式提供给嵌入式设计者。它 的可配置特性给嵌入式系统设计带来了更大的灵活性。 本文研究的是基于f p g a 的数据采集统。利用n i o si i 处理器，在充分利用 i p 核的基础上，快速、高效的设计出符合要求的简洁的数据采集系统。 1 3x 荧光分析的基本原理【2 】 ( 1 ) x 辐射取样 x 辐射取样是利用放射性同位素源或者x 射线管发出的射线照射被测物质， 被测物质受激发后发出x 射线荧光，然后通过对x 射线荧光照射量率的测量， 确定被测物质中带测元素含量的一种物理分析技术。 ( 2 ) 照射量率与元素含量的关系 x 射线荧光的产生是x 射线与物质相互作用的产物。x 射线与物质相互作 用较复杂，但待测物质中目标元素特征x 射线照射量率与其含量之间存在一定 的函数关系。x 辐射取样的一般方程为： ：垒刍口_ 盏+ 惫n( 1 1 ) l - l s i n a s i n q 其中 k = 警专等毛懈 z ， 成都理 大学硕十学位论文 式中 鬈常数。 e 待测元素含量。 ，照射量率。 ，0 样品表面的初级照射量率，可通过实际测量获得。 蚝初级射线在样品中的衰减系数。 “，待测样品的衰减系数。与物质有关。 实际测量时我们可以近似做到s i n 口ms i n f l * l ，使一生+ ；! l 弦_ ，于是 s m 口s l n 口 由公式( 1 - 1 ) 可化简为： 上：塑鱼(1-3) p o + p l 由公式( 1 3 ) 可以看出待测元素含量c 与照射量率存在正比函数关系。 这就为我们利用x 荧光技术进行元素的定量分析提供了依据。 ( 3 ) 输入信号的特征 在核能谱测量工作中探测器输出的脉冲信号与入射粒子的能量成正比，通过 测量脉冲信号幅度，得到入射粒子的能量。所以以多道脉冲幅度分析器为核心的 核能谱数据采集系统，是核辐射探测技术的关键”4 1 。 图l - i 探测器输出信号波形 如图1 - 1 所示，在x 射线作用下，探测器输出的信号通常是一个个电流脉冲， 不同元素x 特征射线的能量不同，输出的电流脉冲幅度不同由此可区别元素的 种类，即定性，而同一能量脉冲的多少反映元素的含量，即定量。 射线传感器与前置放大电路组成核探测器，探测器输出的信号经主放大器放 大后作为峰值保持器电路的输入，通常正比计数器脉冲计数率在3 0 0 0 - 4 0 0 0 c s ， 由此算出信号的频率为3 0 0 0 4 0 0 0 h z ，幅度为m v 级。这里我们确定了被处理信 号的时域特征和幅度特征。当然其中还有一些噪声，最后都以本底的形式表现出 4 第l 章引言 来。对噪声的分析不是本论文所关心的问题，我们仅假定脉冲信号的周期为 1 4 0 0 0 - 1 3 0 0 0 秒，占空比为1 2 ，幅度为几个m v ，来简化对信号的处理问题。 本论文解决的是对该信号的采集与处理。 1 4 嵌入式系统研究 早在上世纪六十年代，就已经有人开始研究和开发嵌入式系统。但直到最近， 它才在国内被越来越多的提及。其在通信、电子、自动化等需要实时处理的领域 所日益显现的重要性吸引了人们越来越多的注意力。 如果要给嵌入式系统一个明确的定义，那么它就是以应用为中心，以微电子 技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，软件硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统一般指非p c 系统，它与p c 的本质区别在于嵌入式系统将微型操作系统与应 用软件嵌入在r o m 、r a m 和或f l a s h 存储器中，而不是存贮于磁盘等载体 中。这一特性使它具有比通用计算机更简洁、更个性化的功能，在可运行操作系 统的同时又兼有体积小、低功耗等特点。 嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、定时器、 微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件。软件部分包括嵌入在存 储器中的微型操作系统软件( 0 s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用软件。有时 设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作 系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。在硬件和软件共同作用下，嵌入式 系统可实现诸如数据处理、实时控制、监视、管理、移动计算等各种自动化处理 任务。因此当前对嵌入式系统的研究已经渗透到通信设备、信息家电、消费电子、 医疗器械、工业控制、远程监控、航空航天等各个领域。 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 即可编程的片上系统技术带来了一 种全新的设计理念和设计方法，其很多概念对于传统设计方法来说是陌生的，如 芯片级的系统硬件功能定制、芯片内硬件系统动态重构等。但在另一方面，s o p c 技术本身又涵盖了传统嵌入式系统的全部内容，因此研究s o p c 技术有必要首先 对传统的嵌入式系统进行研究。 1 4 i 嵌入式系统的结构及特点【7 】 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，白底向上包含有3 个部分，即硬件 平台、嵌入式操作系统、应用程序，系统结构如图2 一l ( a ) 所示。 ( 1 ) 硬件平台它是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同 成都理【= 大学硕十学位论文 的应用通常有不同的硬件平台。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特 点。s o p c 就可以解决这个问题。 ( 2 ) 嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具 有内核较精简、可配置、与商层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对 不变性。 ( 3 ) 应用程序一运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定 功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境，是嵌入式系 统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原有嵌入式系统的3 层结构 逐步演化成为一种4 层结构，如图1 2 ( b ) 所示。这个新增加的中间层次即硬件 抽象层，位于操作系统和硬件之闯，包含了系统中与硬件相关的大部分功能。通 过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层的硬件信息；并根 据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。由于引入了一个中间层次，展蔽了底 层硬件的多样性，操作系统不再直接面对具体的硬件环境，而是面向由这个中间 层次所代表的逻辑上的硬件环境。因此，把这个中间层次叫做硬件抽象层h a l ( h a r d w a r e a b s t r a c t i o n l a y e r ) 。图1 2 ( b ) 显示了引入h a l 以后的嵌入式系统 结构。硬件抽象层的引入大大提高了系统的可移植性。 应用程序 嵌 式操作系统 硬钵平台 应用程序 豢入式摸作系统 疆卞 抽象器 i - - - - 硬件平台 l ：l = 包含硬件瓣象蓥饷嵌入式系缝结翦) 包含硬 牛捆象层盼嵌入式系统绪梅 圈i - 2 嵌入式系统结构： 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： ( i ) 嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是，嵌入式c p u 大多工作在为特定 用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把 通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设 计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 6 第1 章引言 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以功耗、成本、体积、可 靠性，处理能力等指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于 存储空间有限，因而要求软件代码紧凑、可靠。大多对实时性有严格要求。因此 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有 竞争力。 ( 4 ) 由于嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具 体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 4 2 嵌入式系统设计方法川 早期的嵌入式系统设计方法，通常是采用瀑布模式设计流程，设计流程如图 l - 3 ( a ) 所示。即在只粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计与实 现。然后，在此硬件平台之上，再进行软件设计。因而很难达到充分利用硬件软 件资源，取得最佳性能的效果。同时，一旦在测试时发现问题，需要对设计进行 修改时，整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响很大。这种传统的 设计方法只能改善硬件软件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做出 较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。 9 0 年代以来随着电子系统功能的日益强大和微型化，系统设计所涉及的问 题越来越多，难度也越来越大。同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念， 而是紧密结合、相互影响的。因而出现了软硬件协同( e o d e s i g n ) 设计方法，即 使用统一的方法和工具，协同设计软硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统软硬 件能力，避免由于独立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低代 价的优化设计方案。同时硬件抽象层的出现使软硬件的测试工作可同时分别基于 硬件抽象层来完成。从而嵌入式系统设计出现了包含硬件抽象层的v 模式设计 流程，如图1 3 所示。 设计方法使得软硬件的设计和调试具有无关性，并可完全地并行进行。硬件 的错误不会影响到系统软件的调试，同样软件设计的错误也不会影响硬件的调试 工作，可大大缩短系统的测试周期和提高系统的可靠性。 7 成都理工大学硕士学位论文 l 霄求分析 l 硬件抽象层的定义 i 叫夏扣商尹卜 基于硬件抽象屡的硬基于硬件抽象层的模 件驱动软件设计拟硬件驱动软件设计 些由匪壶日盟 l - 叫硬件调试h _ j 熹。 - ) 薯布簟式量 愧毫( - ) 色青件抽曩詹曲v 羹式设计置皇 图1 - 3 嵌入式系统设计流程 1 5 本课题研究内容 本论文研究的基于f p g a 数据采集系统，主要是在f p g a 中嵌入n i o si i 处 理器，同时加入外设i p 核( i f 核是具有知识产权( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 的集成 电路芯核的简称，其作用是把一组拥有知识产权的电路设计集合在一起，构成芯 片的基本单位，以供设计时搭积木之用) 它包括：f l a s h 、s d r a m 、e p c s 、 a d c 、c u p 0 、c o、 键盘等，由此实现采集系c h i p r o i t l 0 1 1c h i er a ml c dp i o 统的显示、人机交互等功能。目前这一领域还未见其应用，有很强的创新性。具 体工作包括以下内容： ( 1 ) n i o s i i 处理器的引入。 ( 2 ) 基于v h d l 的部分硬件接口电路的设计。 ( 3 ) l c d 显示程序的调试。 ( 3 ) 采集到的数据的两种算法的提出和实现。 1 6 论文结构安排 第l 章引言 第2 章f p g a 数据采集系统硬件设计 第3 章f p g a 数据采集系统软件设计 第4 章系统测试 结论与展望 8 第2 章f p g a 数据采集系统硬件设计 第2 章f p g a 数据采集系统硬件设计 2 1 总体电路硬件结构框图 x 荧光分析仪数据采集系统总体电路框图如图2 1 所示，主要由峰值保持电 路、a d c 模块、f p g a 、显示模块、键盘模块、j a t a 口、时钟、存储器等组成。 系统工作原理是，探测器输出的信号经放大后，作为峰值保持器的输入信号，在 峰值保持器的作用下，脉冲信号得以展宽，经a d c 转换后，存储至r a m 单元 中，同时每个信号脉冲按照数值的大小在相应的r a m 单元内容加一。总体电路 设计中，峰值保持器，完成脉冲的展宽，a d 5 7 4 完成数据的采集，f p g a 完成不 同道址的数据计数和存储等。 匡囹 匡塑圈 图2 - 1x 荧光分析仪数据采集系统总体电路框图 2 2 峰值保持电路 8 1 - 1 0 】 半导体探测器、闪烁计数器等核辐射探测器输出的脉冲幅度和入射粒子的能 量成近似正比关系，测量这些脉冲的幅度，就可以知道辐射的能量【4 l 。脉冲幅度 的测量技术在核辐射探测中是一个关键技术。 早期的脉冲幅度分析器有积分甄别器和微分甄别器。积分甄别器只允许幅度 超过一定甄别阙的脉冲通过，供其后电路记录，幅度小于甄别阙的将不通过，记 录电路不予记录。微分甄别器又叫单道脉冲幅度分析器，它只允许某一幅度范围 9 成都理【= 大学硕| ：学位论文 内( 上甄别阈和下甄别阈之间) 的脉冲通过，幅度小于下甄别阈或大于上甄别阈 的脉冲均不能通过。当人们要对某种已知含有单能辐射的放射性样品进行定量测 量时，单道分析器的这种功能是非常有用的。 但是，人们常需要记录单个核素或核素混合物辐射能量的全谱。为了记录全 谱，在第二次世界大战结束后不久，曾采用类似用两个积分甄别器规定代表有限 能量范围的单个“窗”的方法。用多个积分甄别器把一定的能量范围划分为一系 列相邻的能量窗，形成最早的多道脉冲幅度分析器。因此，用11 个和2 1 个积分 甄别器可分别组成l o 道和2 0 道的脉冲幅度分析器。在历史上，这种多道脉冲幅 度分析器对当时的探测器是适用1 1 9 1 。 随着半导体探测器等高分辨率探测器的出现，为了充分发挥其高分辨率的优 点，发展具有高分辨率的多道脉冲分析器是核仪器的一场革命。1 9 4 9 年， w i l k i n $ o n 发明了模数转换技术，其含义是把电压转换成与之对应的数。脉冲幅 度分析器的分析对象就是脉冲信号的峰值。由于主放大器的输出的脉冲信号的峰 顶宽度很窄，每个脉冲上升时间仅0 5 淞要在脉冲峰下降之前处理完该信号通常 采用峰值展宽电路对脉冲的峰值进行展宽，使峰值保持足够长的时间，以保证 a d c 转换过程中峰值的稳定。 0 2 2 。1 峰值保持器电路原理 图2 - 2 峰值展宽波形图 能谱测量中，需要测量脉i 中信号的峰值幅度，为保证采样信号的可靠性、真 实性，采用峰值保持电路展宽脉冲的峰顶，并保持一段时间。峰值保持器工作原 理，如图2 3 所示。峰值保持器工作过程可分为：采样、保持、转换、复位四步。 ( 1 )采样当输入脉冲的幅度超过信号检测器的阀值时，控制器j k 闭 合k 2 ，断开k 1 ，使脉冲通过运放a i 和二极管d 向采样电容c h 充电，运放a 2 的电压随输入信号的上升而上升。 ( 2 )保持当输入信号过了峰顶后，由于二极管d 反向，运放a 2 输 入电阻很大，c h 上保持了输入信号的蜂值，运放a 2 的输出保持最大不变。 ( 3 ) 转换随后断开k 2 并向处理器发出。a c q ”信号启动a d 变 第2 章f p g a 数据采集系统硬件设计 换。 ( 4 )复位，处理器完成数据存取任务后向提供应答复位信号( a n s ) ， 使j k 闭合k 1 ，让c h 放电并等下一个脉冲信号。 ( 5 )不断的重复这四个过程就完成了对信号展宽处理。 2 2 2 实际应用电路 图2 - 3 峰值保持电路原理框图 峰值展宽电路包括了脉冲检测电路、过峰检测电路、峰值保持电路和控制电 路四部分，具体应用电路如图2 - 4 所示。脉冲检测电路是通过设定电压阕值，将 信号中幅度小于阈值的噪声去除。由于探测器、电荷灵敏前置放大器和主放大器 自身都存在着噪声，去除这些噪声对探测核辐射事件至关重要。这个阈值大小一 般在0 7 i v ，通过可调电阻进行调节。当脉冲信号大于【阈值+ 阈值r 2 1 0 r 2 0 9 】 时，l m 3 1 9 比较器输出为高电平；当脉冲信号小于f 阈值一( v c c 一阈值) ( r 2 1 0 + r 2 1 2 ) p 2 0 9 1 时，比较器输出低电平。施密特触发器可以有效的保证比较器 输出电平的稳定，防止输出电平在临界状态或电平的保持时间过短。 过峰检测电路主要由l m 3 1 9 比较器实现，通过比较脉冲信号与保持信号的 大小来完成过峰检测的。当脉冲信号比保持信号小时，即认为脉冲已经到达峰位， 并输出高电平，形成上升沿触发d 触发器。 峰值保持电路由一个c a 3 1 4 0 放大器、开关二极管1 n 4 1 4 8 、低泄漏保持电 容等组成。c a 3 1 4 0 的输入阻抗约为i m l 2 ，模拟开关c d 4 0 6 6 断路时的阻抗约 为i m ，因此可近似认为保持电容在保持状态下没有放电回路。脉冲信号通过开 成都理工大学硕士学位论文 关二极管对电容充电，同时由c a 3 1 4 0 放大器增强驱动能力，以便后续的a d c 转换器的准确采样。 国2 - 4 峰值展宽电路 控制电路的作用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、响应微控制器的复位信号、控制模拟开关c d 4 0 6 6 、输出 a d c 启动信号。峰值展宽电路工作原理： ( 1 )微控制器置a d o v e r 为低电平，触发器u 2 0 4 a 、u 2 0 4 b 清零，然后 置a d o v e r 为高电平，准备脉冲检测。 ( 2 ) 当脉冲的上升沿大于【阈值+ 阈值r 2 1 0 r 2 0 9 时，比较器u 2 0 3 b 输 出高电平，形成上升沿，触发u 2 0 4 b ，使得u 2 0 4 b 9 输出高电平。同时u 2 0 4 8 输出低电平，模拟开关u 2 0 5 a 断开，关闭电容c 2 0 5 的放电回路，使得脉冲通 过二极管d 2 0 1 对电容c 2 0 5 更有效得充电。 ( 3 ) 当脉冲下降并低于v - h o l d ( 等于电容c 2 0 5 上的充电电压) 时，比较 器u 2 0 3 a 输出高电平，形成上升沿。这个上升沿触发u 2 0 4 a ，使得u 2 0 4 a 5 输出一个上升沿给a d c ，启动a d c 转换电压v s g n - a d 。 ( 4 )a d c 转换结束，并且微控制器从a d c 取出转换后的数据后，微控 制器罱a d o v e r 为低电平，然后重复步骤1 ) 。 第2 章f p 6 a 数据采集系统硬件设计 2 2 3 集成电路介绍 图2 5 为a m p t e k 公司生产的p h 3 0 0 型峰值保持器封装形式。目前主流的 脉冲峰值保持电路由运放、模拟开关、保持电容、复位电路组成。成品脉冲峰值 保持器具有代表性的型号是p h 3 0 0 ，它的主要技术指标如下： 功耗3 6 m w ，输出上升速率3 0 v | ls ； 下降斜率 l l l w i i s ； 线性度o 0 1 ； 门控响应时间4 0 n s ，复位时问 8 0 0 n s ( d u m p 模式) ； 通过r a m p 模式可以控制保持电容的电 图2 - 5 州3 型峰值保持器封装 压保持时间； p h 3 0 0 可以选用其自带的4 7 0 p f 的保持电容，也可外接5 0 1 0 0 0p f 的 保持电容。 基于以下原因，我们选择了由分立器件构成的峰值保持器。集成峰值保持器 价格较昂贵，购买较困难。从技术上讲，分立器件实现的峰值保持电路技术上比 较成熟。 2 3 a d c 模块 2 3 1 a d c 转换器发展概述 模数转换器的发展和电子器件的发展一样，经历了从电子管、晶体管到集成 电路的转变。最初的电子式模数转换器是由电子管组装的，到五十年代中期以后， 才逐渐转变成晶体管型的a d c 转换器。从六十年代中期开始，构成a d c 转换 器的基本功能单元电路己逐步实现集成化，所以a d c 转换器就由一些基本的功 能单元块外加一些必要的元件组装，代替了完全由分立元件、器件组装的方法， 在一定程度上简化了电路结构。 随着集成工艺的日臻成熟和转换器结构设计的不断发展，混合型集成a d c 转换器所包含的集成电路的比重也逐渐上升，单片低位集成化转换器被引入到混 合型集成高位a d c 和d a c 转换器的设计中。1 9 7 1 年诞生了第一块单片式高位 集成化a d c 转换器，标志着集成a d c 和d a c 转换器进入了工业化的新阶段。 特别是集成a d c 转换器内部，既有模拟集成电路，又含有数字集成电路。目前， 由于s o c 技术的快速发展，将a d c 和d a c 转换器作为i p 集成在芯片中成为新 的发展趋势。 成都理工大学硕士学位论文 2 3 2m a x l 8 7 i h l m a x l 8 7 是一种低功耗、单电源供电、串行接口的1 2 位a d c 。该芯片内含 快速的跟踪保持电路、精密的带隙参考电压、参考电压缓冲放大器及高速3 线 接口，它具有高速、低功耗、低噪声及接口简单等优点，m x l 8 7 的主要性能参 数如下： 片内含参考电压的缓冲放 大器； 片内含跟踪，保持电路； 具有3 线串行接口，且与 s p i ，q s p i 及m i c r o w r e 兼容； 分辨率：1 2 b i t ： 单电源供电+ 5 v ； 供耗：1 5m a ( 停机) ； 转换时间：8 5 9 s ； 图2 - 6 参考接法 积分非线性误差：士o 0 1 2 5 ： 各引脚定义：c s 片选信号，s l c k 串行时钟输入，c o u t 串行输出，a i n 模 拟信号输入，s h d n 三态关断。其参考接法如图2 - 6 所示。 2 3 3a d 5 7 4 t l l l a d c 5 7 4 是快速型1 2 位逐次逼近式a d c 。它无需外接元器件就可独立完成 a d 转换，其转换时间为1 5 3 5 s ，可以并行输出1 2 位，也可以分为8 位和4 位两次输出。主要性能及技术指标如下： 为逐次比较型号芯片； 具有3 态缓冲输出； 可直接与8 b i t 或1 6 b i t c u p 接口； 具有有单级性或双级性模拟输入； 为混合集成电路： 高精度变换和高快转换功能； 三组电源供电； 片内含有商精度的参考电压源和时钟； 集成度高，外围元件少： 分辨率为1 2 位； 1 4 第2 章f p g a 数据采集系统硬件设计 线性误差：0 1 2 5 ； 转换速度：3 5 u s ( m a x ) ： 功率耗3 9 0 i l l w 。 图2 7a d 5 7 4 管脚配置 图2 7 为刖d 5 7 4 管脚配置图。a d 5 7 4 真值表( 或控制信号功能组合表) 见 表2 1 。 表2 - 1 a d 5 7 4 的真值表 c ec si 沈1 2 8 a 0操作 0xxxx 无 xlxxx 无 l00x0 初始化1 2 b i t 转换 l0oxl 初始化8b i t 转换 lolp i n lx 使能1 2 b i t 并行输出 1ol p i n l 5 0 使能8 b i t l0 lp i n l 5 l 使能4 l s b s + 4 拖尾的零 根据设计要求的实际情况，选择a d 5 7 4 作为a d c 采样的器件。因a d 5 7 4 、 m x l 8 7 都能满足设计需求，但a d 5 7 4 使用更普遍，市场份额大，容易购买，替 换型号也比较多，如a d 7 7 4 等。a d 5 7 4 是并行数据处理，速度快，虽然占用较 多口线，但对f p g a 来讲，这是次要问题。相比之下m x l 8 7 串行输出速度较慢。 系统连接如图2 8 所示。 图2 8 中有5 类信号：h o l d e r _ p u l s e 脉冲输入；a d 输出；o u t 01 1 a d s e a r c hc o n v e r s i o nr e s u l t查转换结果： c h i p片选；_ s e l e c t o r r e a dd a t ao rp e r m i ta dc o n v e r t i o n 读数据或允许转换。 成都理工大学硕士学位论文 2 4 存储单元设计 饪 ! ：啪嚣 l 。器 志击一一。 图2 - 8 a d c 5 7 4 在整个系统中的接法 2 4 1 闪速存储器( f l a s h ) 闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 是可电擦除的非易失性只读存储器n v m ( n o n - v o l a t i l em e m o r y ) ，即若不对其施加大电压进行擦除，可一直保持其状态， 在不加电状态下可安全保存信息长达十年。同时，它具有优越的性能，存取时间 仅为3 0 n s 。与电可擦存储器e e p r o m 相比，f l a s h 具有明显的优势，在系统 电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压( 某些第一代闪速存储器也要求 高电压来完成擦除和，或编程操作) 。除此之外，f l a s h 还具有存储容量大、体 积小、功耗低、远较e p r o m 快速的数据存取时间、价格低廉、以及足够多的擦 写次数( 一百万) 和可靠性等特点。其独特的性能使它迅速成为存储程序代码和 重要数据的非易失性存储器，并广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如 p c 及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同 时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人 数字助理( p d a ) 等。 1 6 第2 章f p g a 数据采集系统硬件设计 2 4 2 动态随机存储器( s d r a m ) s d r a m 是“s y n c h r o n o u s d y n a m i c r a n d o m a c c e s s m e m o r y 的缩写，意思是“同 步动态随机存储器”。与f l a s h 存储器相比，s d r a m ( 挥发性的随机访问存储器) 不具有掉电保持数据的特性，但其容量和存取速度大大优于f l a s h 存储器。这是 因为s d r a m 采用管道处理方式并将所有的输入输出信号保持与系统时钟同步