（计算机科学与技术专业论文）计算机在数据获取与处理中的应用.pdf

摘要 概述了计算机应用的进展，特别是，基于计算机的数据获取与处理系统在核技术领域中的 广泛应用，其中包括医疗、科研、工业、能源、国防、环保等方面的应用。计算机技术与核技 术相互相成，共同发展。评述了计算机在实验的数据获取与处理系统小f m 蓝用，其中包括小型 的、中型的和大型的计算机数据获取与处理系统。特别强调小型的数据获取与处理系统计 算机多道，有其固有的特点，以及需要研究和解决的问题。详细地论述了论文的主要工作：( 1 ) 汁算机多道的改进：a 提高数据采集精度；设计与安装了快恢复式的幅度保持器，使系统工 作的事例率上限提高了个量级，即提高了数据采集板的数据采集精度，从而提高了计算机多 道的数据采集精度。另外，在谱处理中采用谱平滑，也提高了谱处理的精度。b 完善数据处理 功能：设计与添加谱处理软件，包括：潜平滑、寻峰、求峰面积、谱相加、扣本底、有意义峰 的判别、能量刻度和效率刻度等，完善了数据处理功能，改进了计算机多道系统的性能，使其 更实用、更灵活、史方便。( 2 ) 建立了一个基于虚拟技术的数据获取与处理系统，可进行仿真 模拟本底分布、峰分布、谱分布，以及做相关的谱处理：谱平滑、寻峰、峰判别、扣本底、峰 面积、能量刻度和效率刻度等。此系统提供了幅度谱的获取与处理的另一重要途径。在无需实 地测量的情况下，即可提供精确的幅度谱数据，是重要的虚拟设备之一。 关键词：计算机应用计算机多道数据采集精度数据处埋功能虚拟模拟 2 a b s t r a c t t h ep r o g r e s so ft h ec o m p u t e r a p p l i c a t i o n ，s p e c i a l l y ，t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i o ns y s t e mo nt h ec o m p u t e r ，i n c l u d i n gm e d i c a lt r e a t m e n t ，s c i e n t i f i cr e s e a l c h ， i n d u s t r y ，e n e r g ys o u r c e s ，n a t i o n a ld e f e n s ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ；t h ep r o g r e s so f t h ec o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt h en u c l e a rt e c h n o l o g yb o t h ，a r ei n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e ro nt h e e x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i o n , i n e l u d i n gs m a l ls c a l e ，m e d d i es i z e da n dl a r g es i z e dd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i o ns y s t e mo nt h ec o m p u t e r ，p a r t i c u l a r l y ，t h ec h a r a c t e ra n dt h es o l v e d q u e s t i o n so fs m a l ls c a l e t h em u l t i c h a n n e la n a l y z e ro nt h ec o m p u t e rs y s t e m ，a r ec o m m e n t e do n t h em a i np r o j e c t so ft h i st h e s i sa r ed e t a i l e d t h e r ea r e ：( 1 ) t h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m p u t e r m u 埘c h a n n e l ：a t h ei n c r e a s ei np r e c i s i o no f d a t aa c q u i s i t i o n ：t h ea m p l i t u d eh o l d e rw i t hf a s tr e c o v e r y i sd e s i g n e da n da d o p t e d t h eu p p e rl i m i to fe v e n tr a t ew h e r et h es y s t e mc a l lw o r ki si n c r e a s e dw i t h o u eo r d e r i e t h ep r e c i s i o no fd a t aa c q u i s i t i o no ft h ec o m p u t e rm u l t i c h a n n e li si n c r e a s e d a n o t h e r s m o o t h n e s sw h i c hi ns p e c t r u mp r o c e s s i n gi s u s e d ，a l s o c a l li n c r e a s et h e p r e c i s i o no fs p e c t r u m p r o c e s s i o n 1 3 ，t h ep e r f e c t i o no fs p e c t r u mp r o c e s s i o n ：t h es o f t w a r ef o rs p e c t r u mp r o c e s s i o n ， i n c l u d i n g ，t h es m o o t h n e s s ，l o o kf o rp e a k ，t h ea r e ao fp e a k ，d i s t i n g u i s h i n gp e a k ，s u m m a t i o no f s p e c t r u m ，s u b t r a c t i o no fb a c k g r o u n d ，t h ec a l i b r a t i o no fe n e r g y a n de f f i c i e n c y ，a n ds oo n ，i s d e s i g n e da n da d d e d t h ec h a r a c t e ro fc o m p u t e rm u l t i c h a r m e li si m p r o v e d ，a n di ti su s e de a s y ( 2 ) a s y s t e mf o rt h es i m u l a t i o na n dp r o c e s s i n go fs p e c t r u mo nv h t u a it e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d t h e b a c k g r o u n d ，t h ep e a ka n dt h es p e c t r u mc a l lb es i m u l a t e d t h es p e c t r u mp r o c e s s i o n ，i n c l u d i n gt h e s m o o t h n e s s ，l o o kf o rp e a k ，t h ea r e ao fp e a k , d i s t i n g u i s h i n gp e a k ，s u m m a t i o no fs p e c t r u m ，s u b t r a c t i o n o fb a c k g r o u n d , t h ec a l i b r a t i o no fe n e r g ya n de f f i c i e n c y ，a n ds oo n ，a l s oc a nb ed o n e i ti so t h e rw a y f o rt h es u p p l yo f d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i o n ，a n di ti so n eo f t h ei m p o r t a n tv i r t u a ls e t - u p k e y w o r d s ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n m u l t i c h a n n e la n a l y z e ro nc o m p u t e r p r e c i s i o no f d a t aa c q u i s i t i o n f u n c t i o no f d a t ap r o c e s s i o nv i r t u a ls i m u l a t i o n 3 l i s to f f i g u r e s 图1 多道的硬件构成 图2 ，软件功能框图， 图3 软件的t 作界面 图4 改进的多道硬件框图 图5 幅度保持器波形， 图6 幅度保持器的线路图 图7 ，谱半滑流程图 图8 寻峰位的主要流程图 图9 求峰面积的主要流程图 图f o ，扣本底的流程图 图1 1 软件功能框图， 圈f 2 本底分布计算的流程图( 本底子稃( b a c k ) ) 图1 3 峰分布计算的流程图( p e a k 子程) ， 图1 4 幅度谱分布计算的流程图 1 8 ，1 9 2 0 2 4 2 6 2 8 2 9 3 0 3 5 3 6 3 8 5 中国科学技术大学硕士学位论文第章引言 第一章引言 5 0 年来，计算机技术的发展经历了第一代计算机( 真空电子管计算机) ，第二代计算机 ( 晶体管计算机) ，第三代计算机( i c 计算机) 和第四代计算机( p c - ；t 。算机) ，可谓发展迅 速。其应用也很快地延伸到工农业、经济、科教、企业、环保、卫生、医疗、交通、海关、生 活娱乐等各个方面。特别现在，高性能的计算机得到很快的发展，嘲络技术的发展也是如此， 发展困家的高速光纤网四通八达，跨大洋的海底电缆连接已具相当规模。这些有利的条件，使 第三代网络技术网格的发展成为可能。网格技术的出现，必将把计算机的应用推向更大的 范序、更深的领域，推向更高的水下。人们将极为方便地利用计算机去控制一切，指挥切， 探索一切，研究一切。 在核技术领域中，如核医疗( 正电子断层照相( p e t ) 、x 一射线断层照相、核磁共振照 相、心血管造影、g a m m a 刀、中子刀、x 射线刀、电子束、质子束等) ，核科研( 核物理实 验、高能物理实验、生物研究、生化研究、空间物理、同位素分析、活化分析等) ，核t 业 ( t 业c t 、集装箱检测、辐射保鲜、消毒等) ，核能源( 核电站控制与监测) ，围防( 核爆 炸模拟、导弹无损探伤) ，环保( 大气放射性监测) 等，几乎所用的设备的数据获取与处理都 是采用计算机系统。计算机技术与核技术相互相成，相互补充，共同发展，进一步深化应用。 在实验课题中，人们更离不开计算机。如：探测器( 或称敏感器) 性能的测量、新型探测 器的仿真模拟( 为其设计提供依据) 、实验过程的数据获取与在线实时监测或控制、数据的离 线分析与实验结果的获得、实验过程的仿真模拟等。这些研究t 作的执行与完成都必须采用基 于计算机的数据获取与处理系统。 计算机在上述领域中的应用，我们在第二章予以概述。 计算机在核实验的数据软取与处理系统中得到广泛的应用，已开发出小型的、巾型的和大 型的计算机数据获取与处理系统。特别是小型的数据获取与处理系统计算机多道，有其同 有的特点，以及需要研究和解决的问题。对此，本论文较详细地给以论述。论文的主要工作 有：( 1 ) 计算机多道的改进，包括数据采集精度的提高和数据处理功能的完善。( 2 ) 建立了 个基于虚拟技术的数据获取与处理系统，提供了幅度谱的获取与处理的另一重要途径。在无需 实地测量的情况下，即可提供精确的幅度谱数据，是重要的虚拟设备之一。论文工作的创新之 处在于： 1 快恢复式的幅度保持器的设计与使用，提高数据采集板的数据采集精度，从而提高 了计算机多道的数据采集精度。 6 中吲科学技术大学硕士学位论文第章引言 2 多项式拟合移动平滑法用于谱平滑，提高了谱处理精度。寻峰、峰面积、谱相加、 扣本底等方法的采用，完善数据分析功能，改进系统的性能。 3 由指数分布和正态分布等分别组合成本底分布、峰分布和潜分布，用以模拟所获取 的幅度谱，提供精确的幅度谱数据，既灵活、快捷，又省时、省力、省设备。 这部分的内容在第三章给以详细的论述。论文的第四章是总结与展望。 论文最后是发表文章目录和致谢。 7 中国科学技术人学硕士学位论文第二章计算机应用简介 第二章计算机应用简介 2 1 计算机应用的进展 5 0 年来，计算机技术发展迅猛异常，计算机应用日新月异，其应用领域无所1 i 垒。 1 9 5 3 年，美国i b m ( 国际商业机器公司) 率先推出世界第部真空电子管计算机i b m 7 0 1 ( 称第代计算机) 。它一出现，便引起人们高度关注，因它可以帮助人们快速地进行一些科 学计算。但当时的计算机只能具有一般的计算功能( 如现在的手表型计算机的计算功能) ，但 其功耗大，体积庞大，造价昂贵，仪少数科研机构才有可能光顾。伴随半导体晶体管时代的来 临，1 9 5 9 年i b m 又推出晶体管计算机( 称第一- 代计算机) ，它替代了真空电子管计算机，其 功能增强，速度加快，体积缩小数百倍，功耗大大降低。尔后的输入输出设备及操作系统、数 据库、高级语言等软件也发展迅速，计算机的造价也降低很快，计算机的应用领域也逐渐展 开。1 9 6 5 年出现了把数百个晶体管浓缩在一小片i c 片上，此时的计算机( 称第三代计算 机) ，体积又缩小了数百倍，计算机技术又得到迅速的发展。随后，其发展速度确实遵循摩尔 定律发展，c p u 的计算速度每1 8 个月翻一番。小巧轻便的p c 计算机( 称第四代计算机) 被 推出，其成本人幅度下降，计算机软件、操作系统，特别足以微软w i n d o w s 为代表的p c 等软 件的发展迅速，极快地推动着p c 计算机的发展和普及，其应用也很快地延伸到工农业、经 济、科教、企业、环保、卫生、医疗、交通、海关、生活娱乐等各个方面。 特别现在，高性能的计算机得到很快的发展，出现了超级计算机与计算机集群，不仅计算 速度更快，大规模的资源也可共享。在软件技术方面，已得到新的发展，其中包括异构平台体 系和语言、广域网、资源共享软件、和刚络安全技术等。在网络基础设施方面，发展国家的高 速光纤网四通八达，跨大洋的海底电缆连接已具相当规模。这些有利的条件，使第三代刚络技 术网格的发展成为可能。所谓网格 1 4 1 是一种规模大小可变的虚拟组织，它动态地组织虚 拟组织成员，协调资源共享。虚拟组织成员是指分布在世界各地的为完成同一件事的研究机 构、大学、科学家个体等。而资源是指包括计算机、存储设备、网络、大型科学仪器、数据 库、软件、信息等等。网格不是当前的互联嘲体系结构，不代替机群并行计算，不解决机群 并行计算的问题，而是帮助管理、共享和利用现有的计算和资源。简单地讲，网格是通过整个 冈特网，把设备资源、计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源等整 合成一台虚拟巨大的超级计算机，实现资源的全面共享。当然，网格并不定非要这么大，也 可以构造地区性的刚格、企事业内部网格、局域网网格、甚至家庭网格和个人网格。事实上， 网格的根本特征是资源共享而不是它的规模。网格是从f b 力网格，| 一借鉴过来的个概念，希望 8 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章计算机应j = | j 简舟 第二章计算机应用简介 2 1 计算机应用的进展 5 0 年来，计算机技术发展迅猛异常，计算机应用日新月异，其应用领域无所1 i 垒。 1 9 5 3 年，美国i b m ( 国际商业机器公司) 率先推出世界第部真空电子管计算机i b m 7 0 ( 称第代计算机) 。它一出现，便引起人们高度关注，因它可以帮助人们快速地进行一些科 学计算。但当时的计算机只能具有一般的计算功能( 如现在的手表型计算机的计算功能) ，但 其功耗人，体积庞人，造价昴贵，仅少数科研机构才有可能光顾。伴随半导体晶体管时代的来 临，1 9 5 9 年i b m 又推出晶体管计算机( 称第二代计算机) ，它替代了真空电子管计算机，其 功能增强，速度加快，体积缩小数百倍，功耗大大降低。尔后的输入输出设备及操作系统、数 据库、高级语言等软件也发展迅速，计算机的造价也降低很快，计算机的应用领域也逐渐展 开。1 9 6 5 年出现了把数百个晶体管浓缩在小片i c 片上，此时的计算机( 称第三代计算 机) ，体积又缩小了数百倍，计算机技术又得到迅速的发展。随后，其发展速度确实遵循摩尔 定律发展，c p u 的计算速度每1 8 个月翻番。小巧轻便的p c 计算机( 称第四代汁算机) 被 推出，其成本大幅度下降，计算机软件、操作系统，特别是以微软w i n d o w s 为代表的p c 等软 件的发展迅速，极快地推动着p c 训算机的发展和普及，其应用也很快地延伸到工农业、经 济、科教、企业、环保、卫生、医疗、交通、海关、生活娱乐等各个方面。 特别现在，高性能的计算机得到很快的发展，出现了超级训算机与计算机集群，不仅计算 速度更快，大规模的资源也可共享。在软件技术方面，已得到新的发展，其中包括异构平台体 系和语言、广域嘲、资源共享软件、和网络安全技术等。在网络基础设施方面，发展困家的高 速光纤刚四通八达，跨大洋的海底电缆连接己具相当规模。这些有利的条件，使第三代网络技 术网格的发展成为可能。所谓网格 1 - 7 1 是一种规模大小可变的虚拟组织，它动态地组织虚 拟组织成员，协调资源共享。虚拟组织成员是指分布在世界各地的为完成同件事的研究机 构、大学、科学家个体等。而资源是指包括计算机、存储设备、网络、大型科学仪器、数据 库、软件、信息等等。网格不是当前的互联网体系结构，不代替机群并行计算，小解决机群 并行计算的问题，而是帮助管理、共享和利用现有的计算和资源。简单地讲，网格是通过整个 因特削，把设备资源、计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源等整 合成台虚拟巨人的超级计算机，实现资源的全面共享。当然，网格并不一定非要这么大，也 可以构造地区性的网格、企事业内部网格、局域网嗍格、甚至家庭网格和个人网格。事实上， 州格的根本特征是资源共享而不是它的规模。翔格是从l 乜力罔格c 借鉴过来的个概：念，希望 州格的根本特征是资源共享而不是它的规模。翔格是从电力1 3 5 9 格c 借鉴过来的个概：念，希望 8 中陶科学技术大学硕士学位论文 第二章 十算机应州简介 共享资渊，获取信息和知识、获取电子商务和计算等等服务能够象电器捌电样，“搦上电 源，打开开关就可以使用”，：= i = = 用关心。自来自何方、如僻提供服务。网格主要分为两大类 8 1 ： 一类是数据网格p ”1 ( d a t ag r i d ) ，专门为超级数据分析任务而设计的：另类是计算刚格”1 ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) ，是针对超级计算和仿真模拟任务所设计的。涮格的目标是抽象并最化 计算资源，随时随地能够通过网络“定额”完成“定最”的计算工作或有关的服务。为实现刚 格计算的目标，必须重点解决三个问题： ( 1 ) 异构性 由于分布在广域网上不同管理域的各种计算资源存在异构性，网格要共享这些资源，旨先 叟解决的问题是怎样实现异构机器间的合作和转换。 ( 2 ) 可扩展性 耍在网格资源规模_ ：断扩大、应用不断增长的情况下，系统不降低性能。网格必须是可扩 展性的。 ( 3 ) 动态自适应性 在网格计算中，某一资源出现故障或失败，资源管理必须能动态地进行监视和管理，从可 利j i ；j 的资源中选取最佳资源服务。 为解决上述的问题，刚格应具有合理的结构体系旧，其构建层次从下至上依次为： ( 1 ) 网格结点 其结点由分布在i n t e r n e t 上的各类资源组成，包括各类主机、工作站甚至p c 机，它们是 异构的，可运行在u n i x 、n t 等各种操作系统下，也可以是上述机型的机群系统、大型存储设 备、数据库或其他殴各。 ( 2 ) 中间件i s - 1 6 它是恻格计算的核心，负责提供远程进程管理、资源分配、存储访问、登录和认证、安全 性和服务质量等。 ( 3 ) 开发环境和工具层 提供用广l 二次开发环境和工具，以便更好地利用i 列格资源。 ( 4 ) 应用层 提供系统能接受的语言，如h p c + + 和仲i 等。可配置其他一些支持t 程应用、数据库访问 的软件，还可提供w e b 服务接口，使用户可以使用w e b 方式提交其作业并取得计算结果。 网格研究发展很快，目前网格的研究主要在美国和欧洲。正在研制的项目有： 英国国家网格( n kn a t i o n a lg r i d ) ；美国全球信息网格( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ；各 种科研机构的( 如t h eg l o b u s a n dl e g i o np r o j e c t ) 、商业机构的( 如a v a k i 和p l a t f o r m c o m p u t i n g ) 网格；美国能源部的先进战略计算创新计划州格( a s c ig r i d ) 。翻际虚拟数据网格 9 巾围科学技术大学硕士学位论文 第一章计算机应用简介 实验烹上奥i _ ；_ | t i a t e r n a t i o n a lv h ：t u a l1 ) a t ag r i d a b o r a l my ，i v l 蚓，) 由欧船的数魏：州格 ( i ) a l a g ri d ) 、美吲的网格物媸。喇络( g r i dp h y s c sn e t w o r k ) 和粒予物理数据网格 ( p a r t i c l ep h y s i e s8 a t ag r i d ) 协作创建。 在我国，已经完成的网格研究项目主要有清华大学的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e d c o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 和以巾科院计算为主的国家高牲能计算环境n h p c e ( n a i o n a l h i g hp e r f o m a a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 。目前正在进行的嘲格研究项目有：8 6 3 计划支持 的- r 国刚格( c h i n ag r i d ) ；上海支持的上海教育科研网格；航天部二院和清华大学共同开展 的仿真网格；由一i i 科院计算所领衔开发的织女星网格。另外，全国还有几十所大学和研究机构 已经开展各种网格研究。可以看出，网格研究正在迅速展开。 伴随网格研究的迅速展开，其应用必将很快地延伸到各个领域。就小规模而言，只要把你 的p c 机接上网格，则可充分发挥你自己p c 机的计算能力，在删格也可供需要的人来使用你 的p c 机，而对你的使用毫无影响，因现在你的p c 机c p u 计算能力已相当于服务器的c p u 了。而有了网格，你在自己p c 机上则可利用世界各地的计算机、存储、】刊络、科学仪器、数 据库、软件、信息等资源，进行人规模的计算工作。 而从大的研究与应用领域来说，生物、生化研究( 包括人类基因和药物研究) 、地震仿 真研究、大气物理和气象预报、高能物理理论与实验、电子商务及其它社会应用等耸通过网格 部可以使用所需要的计算密集型、i o 密集型、数据密集型的计算，都可以使用位于远处的大 型位置同定的仪器设备，都可以享用位于不同地区具有不同政策的已有技术，都可以享用大型 的国际合作的资源。 总之，网格技术的出现，必将把计算机的应用推向更人的范围、更深的领域，推向更高的 水平。人们将极为方便地利用计算机去控制一切，指挥切，探索切，研究切。 2 2 计算机在核技术中的应用 计算机技术在核技术领域中的应用主要集中在核辐射事件的数据获耿与处理。其重要性在 于：一、人们通过它获取数据，经分析并反馈控制核技术设备的正常运行。二、由数据分析获 得有关核辐射事件效应的结果和重要的信息。三、从数据获取与分析中获取某些特征参数用于 改进核技术没各。四、通过计算机技术对核辐射过程的仿真模拟可获得该类事件的新结果、新 信息，也为新的核技术设备的设计提供重要的依据。总之，核技术及其应用离小开计算机技 术，几乎所有的核技术应用领域中总可以看到计算机技术的身影。表一列出了核技术及其伴随 的计算机技术的应用要览，我们将简要地分别加以介绍。 l o 巾田科学技术大学硕士学位论文 第二章计算机戍用简介 表一核技术及其伴随的计算机技术的应用要览 ( 一) 医疗应用( 四) 能源应用 核电站控制与监测 诊断正电子断层照相( p e t )核爆炸模拟 ) ( 一射线断层照相导弹无损探伤 ( 五) 国防应用 核磁共振照相空间环境监测 心血管造影放射性物质监测 治疗g m a l m a 刀 大气放射性监测 中子刀住宅氡气监测 x 射线刀( 六) 环保应用建筑材料监测 电子束引用水重金属监测 质子束食品放射性同位素监测 ( 二) 科研应用 核物理实验 高能物理实验 生物研究 生化研究 空间物理 同位素分析 活化分析 f 三) 工业应用 工业c t ( g a m m a 、中子一 探伤) 集装箱检测 辐射保鲜、消毒( 控制与监 测) 中国科学技术人学硕士学位论文 第二章计算机应用简介 ( 一) 医疗应用 1 治疗应用 癌症是城市居民和农村男性居民中排列第一的死亡原冈，我国每年新发展的病患者即达 1 6 0 万人。当前癌症治疗主要有三人手段：放疗、化疗和手术。调查表明，癌症患者8 0 要接 受放疗。放疗即放射性治疗，其个重要的发展是用束流( 电子或质子或重离子) 或射线 ( x ，g a m m a 射线，中子) 从多个方向照射肿瘤，使肿瘤吸收剂量与健康组织吸收剂量的比例 大大提高，从而杀死癌细胞，而减少对健康组织的损害。x 刀、g a m m a 刀和中子刀，以及束流 加速器部属于这个范畴。而计算机技术在射线、束流的方向定位和流强的控制上起着关键的作 用。 2 诊断应用 正电子断层照相( p e t ) 是采用发射正电子的短寿命核素标记的药物方法，从体外动态地 观测人体吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平的生理、生化过程，它既是早期诊断某些疾病的工 具，又是研究人脑认知活动的独特手段。计算机技术用于该设备的数据获取与处理，获取有关 的位置( 人体某部位) 数据及其吸收的标记药物强度，经处理给出动态的图形，因此，它是 p e t 重要的组成部分j 。 x 一射线断层照相即利用x _ 一射线断层扫描成像。也是核诊断重要设备之一，它采用计算 机技术，获取有关的数据，经分析处理把病灶的图象显示出来“。 核磁共振成像术( m r ) 是种生物磁自旋成像技术，它是利用原予核自旋运动的特点， 在外加磁场中，经射频脉冲激发后产生信号，由探测器检测并输入计算机，经过分析处理转 换，在屏幕上显示图象。m r 对疾病的诊断具有很大的优越性，它可直接做出横断面，矢状 面、冠状面和各种斜面的体层图象，不会产生c t 检测中的伪影，刁i 需要注射照影剂，无电离 辐射，对机体没有不是影响。m r 对检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉 血管畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病的诊断非常有效。同 时，对腰椎、椎间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。 显然，计算机技术在核医疗的应用中不但是必4 ；可少的，而且扮演着很重要的角色。 ( 二) 科研应用 基于计算机的数据获取与处理系统广泛用于各种类型的物理( 核物理、高能物理等) 实 验，由它获取物理数据，在经分析处理获得重要的物理参数与结果”2 ”。在高能物理实验中， 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第= 章计算机应用简介 对高能加速器运行的控制，是基于计算机的在线控制系统：对大量物理数据的获取和t 程量的 检测都是基于计+ 算机的数据获取、处理与检测的在线实施系统；对大量数据的分析处理，并最 终获得重要的物理结果，依然是基于计算机的离线分析系统。高能物理实验往往是大规模的， 是多个国家参加的大型国际合作项目，其大量的数据、信息需要传送、交流，其资源需要共 享，因此它不仅需要快速发达的阿络支持，而且它也进步推动和发展了网络技术。例如，西 欧高能物理中心( c e r n ) 在i n t e m e t ( 局域| = 6 1 】可进行f t p 、t e l n e t 、e m a i l 、 n e w s g r o u p 、b b s 等) 的基础上，于1 9 8 9 年发明了w w w f 由h t t p 协议连接超文本文 件) ，1 9 9 5 年后又大力发展网格技术，为网格技术的发展作出了重大贡献，当然这些也极大地 满足了高能物理实验的需求。 生物信息学是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，世界各国都极为重视，因为 生物信息不仅能带来巨大利润，而且能够提高本国的竞争力。生物信息学是一门新的交叉科 学，是伴随基因组的研究而产生的。实际上，生物信息学是以计算机为工具，对与基因组研究 相关的生物信息进行获取、加工存储、分配、分析和解释。一方面，管理好数据，即对海量数 据进行收集、整理并提供服务。另一方面，则用好这些数据，即分析之，从中发现新规律。当 前，基因组处于信息爆炸的年代。因此，要建立超大规模的计算机系统，发艘新的生物信息理 论来分析这些数据，同时要基于计算机的信息处理，发展新的方法，把生物学的问题转化为数 字问题，进行快速有效的处理。 至于活化分析、同位素分析，依然采用基于计算机的数据获取与处理系统，获取相关能谱 和射线流强的数据，经特征能谱分析，获得有关同位素的分析结果。 总而言之，在科研应用中基于计算机的数据获取与处理系统被用于获取重要的数据、信 息，经分析处理，以便探索新现象，发现新规律。 ( 三) 工业应用 工业应用主要包括工业c t 、集装箱检测及辐照消毒、灭菌、保鲜等方面。工业c t 是利 用x 、g a m m a 射线或者是t l t 子束对构件、殴备进行无损探伤，与x 一射线断层照相、正电子断 层照相相类似，都是采用计算机数据获取与处理系统，进行有关的数据获取，经数据分析，图 象处理，显示构件内部损伤的痕迹 2 i 】。集装箱检测系统是利用强g a m m a 射线源或加速器产生 的x 一射线对集装箱进行不必开箱的透视检查，特别是查走私物品、枪支、甚至是偷渡人口。 此系统也是采用计算机数据获取与处理系统，进行数据获取与图象显示。计算机数据获取与处 理系统己成为该系统的重要部件陋】。集装箱检测系统已成为进出口贸易繁荣的经济发达崮家海 关的- 个必备设施。 1 3 中陶科学技术人学硕士学位论文 第一章计算机应用简介 辐照消毒、灭菌、保鲜系统也是采用强g a n m a a 射线源或加速器的电子束对手术器械、药 品、食品、茶叶、香烟等进行辐照消毒、灭菌、保鲜，其应用越来越广泛，现在有的困家把其 用于对邮件消毒、火菌，是反恐的重要设施之一。该系统乃然采用计算机实时控制系统，对射 线束流的方向和强度以及物品的传输等进行在线实时的控制。 ( 四) 能源应用 核电站已是一些国家的主要发电设施，也是解决人类未来能源的重要途径，日前世界已 有五分之一的电能来自核电。我国大陆也有泰山和大亚湾核电站在运行。核电站的控制与监测 也是采用计算机的自动监控系统，该系统也已成为核电站的关键设备之一。 ( 五) 国防应用 1 核爆炸仿真模拟 核武器的改进，除了地下核试验以外，还可采用大型计算机系统仿真模拟核爆炸过程，参 考以往的试验数据，就可了解核爆过程、状态，获得改进其性能的措施。 2 导弹无损探伤 导弹内部有否损伤，特别是使用固体燃料时，燃料分布是否均匀，有无缝隙，对其进行无 损探伤是非常重要的。它是导弹安全与质量的重要保证。对其进行无损探伤采用的是如前述的 基于计算机技术的丁业c t l 2 ”。 ( 六) 环保应用 环保应用主要包括大气放射性的监测，建材放射性的监测，住宅氡气的监测，饮用水重金 属监测和食品放射性监测等等。与前述的科研应用中的放射性同位素分析一样，这些监测都是 采用计算机数据获取与处理系统，获取有关的放射性数据及其能谱，经特征谱分析，从而获得 某些放射性同位素的含量，给出污染程度的预报【2 4 l 。 综上所述，基于计算机的数据获取与处理系统，在核技术领域- _ | = 得到广泛的应用，核技术 及其应用需要i 算机技术，并进一步发展计算机技术，计算机技术与核技术相互相成，互相渗 透，柑互补充，共同发展，进一步深化应用。 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文第二章计算机应用简介 2 3 计算机在实验课题中的应用 在实验课题r i i ，人们经常要遇到如下的实验研究工作：一、探测器( 或称敏感器) 性能的 测量。二、新型探测器的仿真模拟( 为其设计提供依据) 。三、实验过程的数据挟取与在线实 时监测或控制。四、数据的离线分析与实验结果的获得。五、实验过程的仿真模拟，参考已有 的实验数据在某些隋况下不必通过实验即可获得新现象，新结果。这些研究工作的执行与完 成都必须采用基于计算机的数据获取与处理系统。从实验具体应用来看，该系统可分为三类， 一是小型的数据获取与处理系统，如通常所说的硬件多道分析器( 简称多道) 、智能多道和计 算机多道等。二是i 型的基于c a m a c 系统和计算机的数据获取与处理系统；或者是g p i b 总 线技术、或v x i 总线技术、或p x i 总线技术和计算机构成的数据献取与处理系统。三是大型 的基于c a m a c 系统加v x i 系统和计算机的数据获取与处理系统。一般是按实验内容与规模 来选择不同的系统。 最先出现的是小型数据获取与处理系统，它由数据获取部分、数据存储和数据运算处理等 三部分组成。它主要用于获取与处理核辐射事件的某些信息分布，例如，信号幅度的概率分布 ( 称幅度谱) 、信号产生的时间间隔分布( 称时间谱) 等。这些信息的；| j 1 0 定就需要采用脉冲多 道分析器( 简称多道) 。7 0 年代的多道，主要是由集成电路和高集成度的微处理器构成的， 故称硬件多道。8 0 年代末，具有c p u 的单片机被用于多道，使多道小型化，使用更方便，此 种多道被称为智能多道。9 0 年代，计算机p c 发展迅速，应用广泛。它同时也被用于多道，人 们称基于计算机的多道为计算机多道。其功能更完善、使用更灵活、更方便。近十年来，总线 技术得到很快发展，先后出现g p i b ( g e n e r r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线技术、v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线技术、p x i ( p c ie x t e n s i o n si n s t r u m e n t a t i o n ) 总线技术 ”“。基于总线技术，人们可以更方便地开发出计算机多道或基于计算机的数据获取与处理系 统。值得注意的是近些年来，计算机技术发展迅速，软件在仪器系统中扮演土要角色，大有 “软件就是仪器”之说法，在多道方面也是如此，人们把软件多道称为“虚拟多道”口。 小型的数据获取与处理系统的数据获取通道少，仪几个通道，满足不了需要多通道( 如十 儿通道到几十通道) 获取数据的需求，于是人们开发了中型数据获取与处理系统，早期的r r l 犁 系统是c a m a c 系统 2 7 1 加计算机系统。现在多采用c a m a c 机箱加g p i b 总线技术、或v x i 总线技术、或p x i 总线技术和计算机构成中型的数据获取与处理系统，因为c a m a c 机箱可 插入多件数据获取插件，用于扩充数据获取通道，而总线技术( g p i b 或v x i 或p x i ) 中均具 有接口控制器和快总线用于传送c a m a c 机箱和计算机之间的命令和数据。因此，此系统很好 1 5 中田科学技术大学硕士学位论文 第二章计算机应用简介 地解决了规模( 或者数据获取通道) 的扩充和数据传送速度的问题，满足了- 1 i 规模实验的要 求。 在中型系统基础上发展起来的大型数据获取与获取系统大型的基于c a m a c 系统加 v x i 系统和计算机的数据获取与处理系统。v x l 系统也具有v x i 机箱与接l j 控制器( v 一 m x i ) 和快总线m x i ，v x i 机箱也用于扩充规模，接l j 插件( v x l m x i ) 和快总线m x i 用 于传送v x i 机箱和计算机之间的命令和数据。这样v x i 系统和c a m a c 系统可大大扩充规模 ( 数据获取通道可扩大到几十到上百通道) ，而两个快总线m x i 和g p i b 也快速地提高了数据 的传送速度。所以，大型的数据获取系统很适合于大规模实验。 实际上，小型的数据获取与处理系统计算机多道更适合于实验课题的常规实验工作， 如探测器性能的测量、探测器的优化设计、核辐射事件的幅度谱数据的获取与处理、以及幅度 谱的仿真模拟等。冈为它结构简单，操作方便、灵活，所以使用最多，应用最广。 虽然计算机多道有其固有的特点，也有不少需要研究和解决的问题，例如，如何提高数据 采集精度，如何优化、完善幅度谱的数据处理功能，如何仿真模拟所感兴趣的能谱；提供精确 的数据等，这些是本论文所要解决的主要问题，这些问题的解决我们将在第三章了，以详细的论 述。 1 6 中i 訇科学技术大学硕士学位论文第三章计算机在数据获取与处理中的应用 第三章计算机在数据获取与处理中的应用 在实验课题中，经常要做如下的测量并获取数据：探测器性能的测量，某些射线能谱( 或 时间谱) 的测量，仿真模拟探测器性能或能谱等。而且必须对这些数据进行分析处理。如前 述，获取与处理这些数据的系统最好是采用基于计算机的数据获取与处理系统，例如，计算机 多道。计算机在多道中的应用以及围绕计算机多道所开展的研究工作，本章将予阻详细地论 述。前两节将简要地介绍计算机多道的工作原理和初步研成的计算机多道的概况，后两节着重 论述计算机多道的改进和基于虚拟技术的仿真模拟系统的建立。 3 1 计算机多道的工作原理 一般的脉冲多道分析器主要由数据获取部分、存储器、控制器和运算器这四部分组成。数 据获取部分把输入信号的幅度模拟量变换为数字量，简称a d c ，a d c 变换结束后，控制器启 动存储器并把a d c 变换幅度的数值作为地址码，按此地址码读取存储器巾该道址的计数，并 送至0 运算器，运算器作加一运算后，控制器又启动存储器按该道址把新的计数写同存储器巾。 到此，多道完成对一个核辐射事例信号幅度的分析过程。这就是多道分析器数据采集的基本t 作原理。 计算机多道则由数据采集板和计算机构成。数据采集板由a d c 和缓存器构成。输入信号 幅度经过a d c 变换后，其数据秆存在缓存器中。计算机程序担负起控制和运算的任务，在内 存中设置幅度谱存储器，它从数据采集板缓存器中读取数据，启动存储器和运算器，按多道t 作方式宽成信号幅度的分析过程。当然，程序也控制数据的输出，如显示在显示器屏幕上，或 存盘，或打印输出等。这种粪型的计算机多道，数据采集的精度取决于数据采集板的结构和性 能( 主要取决于其中的a d c 部分) 。而数据采集的速率则取决于数据采集板与计算机之间交 换数据的方式和速度。 3 2 初步研成的计算机多道简况 近些年来，- lr 国科学院高能物理研究所中微子课题组进口的智能多道已坏，返修很难。所 以，该组初步研成一台计算机多道 2 8 1 。该计算机多道是以通用数据采集卡为硬件基础t 以 v i s u a lc + + 6 0 + w i n d o w s 为软件开发平台的。它的主要设计工作，在 5 中已被简述过，在此 我们将作某些补充，并作较全面的概述。 该计算机多道有如下的功能： 1 7 中国科学技术大学硕士学位论文第三章计算机在数据获取与处理中的应用 数据获取方面；在定时或定事例数的控制下，采集核辐射事件信号幅度的数据，或事例时 间间隔的数据；实时显示所采集的信号幅度谱或时间谱，每秒刷新次。 数据处理方面：显示已采集的谱形和已采集的时问。在鼠标点击下，可显示该击点的道址 ( 与信号幅度相对应的道数) 和该道的事例数。所采集的数据作为数据文件，供保存、调用和 离线分析。为完成所述的功能，此计算机多道的硬件、软件的构成如下： ( 其硬件构成，以获取幅度谱为例，如图1 所示。) 信p 数 据p c 采 机 集 板 图1 多道的硬件构成 展宽器把输入信号的顶部拉宽，供数据采集板采集。同时它的另一输出送到甄别器，当幅 度超过甄别器的甄别阚时，甄别器的输出信号触发数据采集板，使其对被拉宽的信号开始采 集。适当调节甄别闽可去除电子噪声的t 扰，也可选择所感兴趣的幅度范田。数据采集扳把所 采集的信号幅度变换为数字数据，并依次暂存于自带