（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的网络型定标系统的研制.pdf

委员： 导 一 援良粥致动 学位论文版权使用授权书 知，除 包含为 本研究 本学位论文作者完全了解金魍王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆王些太堂可以将学 位论文的全部或部分论文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： 签字日期：f f 年 现本以 i 年月多7 日 ， 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 邮编： 摘要 的研制 定标器是一种核脉冲计数仪器，能够对核探测器的输出脉冲进行计数，一段时 间内的计数值反映了辐射的强度，因而在粒子物理、核物理实验中，定标器被广泛 的用于放射性测量。传统的定标器一般采用模拟电路来实现，随着可编程逻辑器件 和网络技术的发展，核仪器也在向着数字化、智能化、网络化的方向发展。 本文简要介绍定标器的应用，详细分析了定标器基本电路结构和工作原理，论 述了新型定标器中所涉及到的网络通信及可编程逻辑器件相关知识，分析比较了网 络通信的几种不同实现方案。研制了一种新型的定标系统，将f p g a 与计算机网络应 用于定标器中，实现了对辐射源的远程监测及网络数据传输和处理。 该系统的硬件主要由定标电路和网络传输模块构成，前者完成对探测器输出信 号的整形、定标器的定时、计数以及控制功能，后者则实现网络芯片控制及数据传 输功能。详细介绍了定标电路的基本结构、工作原理、逻辑时序、器件特性和主要 接口，并对电路调试中出现的问题及解决方法进行了描述。网络通信功能由网络芯 片w 5 3 0 0 及其控制器来完成，采用高效的u d p 协议作为以太网通信的传输层协议。网 络芯片控制器采用硬件描述语言v e r i l o g 实现，包括读写时序、初始化、数据包发送 和接收以及中断处理，对各模块具体功能及实现方式进行了阐述，给出了相关代码 及仿真图，重点分析了网络芯片控制器的操作流程。最后对系统的网络通信及性能 参数进行了测试分析，结果表明该系统可以方便、安全地实现对待测粒子或辐射源 的远程实时监测。 关键词：定标器 f p g at c p i p以太网w 5 3 0 0 r e s e a r c ho fn e t w o r ks c a l e rs y s t e mb a s e d0 1 1f p g a a b s t r a c t s c a l e ri san u c l e a rp u l s ec o u n t i n ge q u i p m e n tw h i c hc a nc o u n tt h ep u l s es i g n a l p r o d u c e db yt h en u c l e a rd e t e c t o r ，a n dt h en u m b e ro fp u l s e sw i t h i nap e r i o do ft i m ec a n r e f l b c tt h ei n t e n s i t yo fr a d i a t i o n ，t h u st h es c a l e ri sw i d e l yu s e di np a r t i c l ep h y s i c sa n d n u c l e a rp h y s i c se x p e r i m e n t st om e a s u r et h er a d i o a c t i v i t y t h et r a d i t i o n a ls c a l e ri sm a d e b ya n a l o g c i r c u i t sg e n e r a l l y ，h o w e v e r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e sa n d n e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h en u c l e a re q u i p m e n ti sa l w a y sb e c o m i n gd i g i t i z e d ， i n t e l l i g e n t i z e da n dn e t w o r k e d t h ea p p l i c a t i o no ft h es c a l e ri si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，i t sb a s i cc i r c u i ts t r u c t u r e a n dp r i n c i p l ei sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ek n o w l e d g eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e si nw h i c h t h en e ws c a l e ri n v o l v e di sp r e s e n t e d a f t e rt h a t ， s e v e r a ld i f f e r e n tn e t w o r ki m p l e m e n t a t i o n sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d an e wt y p eo f s c a l e rs y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h ec o m p u t e rn e t w o r kw i t hf p g ai su s e d ，w h i c he n a b l e r e m o t em o n i t o r i n go ft h er a d i a t i o ns o u r c e s ，t r a n s m i t i o na n dp r o c e s s i n go fn e t w o r kd a t a t h eh a r d w a r eo fs y s t e mi n c l u d e ss c a l e rc i r c u i ta n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e ， t h ef o r m e rc a na d ju s ta n dc o u n tt h eo u t p u ts i g n a lo ft h ed e t e c t o r ，t i m ea n dc o n t r o lt h e c i r c u i t ，a n dt h el a t e ro n ei m p l e m e n t st h ef u n c t i o no fn e t w o r kc h i pc o n t r o l l i n ga n dd a t a t r a n s m i t i o n t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es c a l e rc i r c u i ti si n t r o d u c e d ，a n di t sp r i n c i p l e ，l o g i c a n dt i m i n g ，d e v i c e sc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a i ni n t e r f a c ea r ea l s op r o p o s e di nd e t a i l ， m e a n w h i l e ，t h ep r o b l e m st h a te m e r g e di nt h ec i r c u i td e b u g g i n gp r o c e s sa r ed e s c r i b e d w i t hi t ss o l u t i o n s t h ef u n c t i o n o fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni si m p l e m e n t e db yt h e n e t w o r kc h i pw 5 3 0 0a n di t sc o n t r o l l e r ，a n dh i g he f f i c i e n c yu d pp r o t o c o li su s e da st h e t r a n s m i t i o nl a y e ri ne t h e r n e t t h en e t w o r kc h i pc o n t r o l l e rd e s i g n e db yt h ev e r i l o g h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，i sc o m p o s e do fr e a d - w r i t et i m i n g ，i n i t i a l i z a t i o n ，d a t a t r a n s m i t i o na n dr e c e i v i n g ，i n t e r r u p tp r o c e s s i n g t h es p e c i f i cf u n c t i o na n do p e r a t i o n m o d eo fe a c hm o d u l ea r ep r o v i d e dw i t hr e l e v a n tc o d ea n ds i m u l a t i o np i c t u r e s ，a n d e m p h a s i s o nt h eo p e r a t i o nf l o wo ft h en e t w o r kc h i pc o n t r o l l e r a tl a s t ，n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es c a l e rs y s t e ma r et e s t e d ；t h er e s u l t s s h o wt h a ti tc a ne a s i l ya n ds a f e l ym a k er e a l t i m eo b s e r v a t i o no ft h ep a r t i c l e so rr a d i a t i o n s o u r c er e m o t e l y k e y w o r d s ：s c a l e rs y s t e m ；f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ；t c p i p ；e t h e r n e t ；w 5 3 0 0 致谢 在合肥工业大学电子科学与应用物理学院学习的这三年是值得我珍藏一生的三 年。这段时间里，在导师刘士兴副教授的悉心指导下，我在学习、研究、工作和生 活中逐步成长，并在科研的道路上有所收获。由衷的感谢刘老师在科研及为人方面 给予的指导和关心，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对 事业的热情，使我终身受益，从老师言传身教中学到的为人品质和道德情操必将激 励我勇往直前，在此，特向我的导师表示诚挚的敬意和衷心的感谢。 另外，我要感谢电子科学与应用物理学院的全体老师，他们为我们的学习、科 研提供了优良的环境，为我们的科研工作提供了理论依据和实践条件。在此，对全 体老师对我的培养、教育和关心表示诚挚的感谢，希望他们在今后的工作中一帆风 顺。 还要感谢实验室的同学们。我们像兄弟姐妹一样和睦相处，互相帮助。在此过 程中，我们共同学习，一起走进科研的大门，了解到协作的力量，懂得了团队合作 的重要。感谢这些陪伴我度过三年的朋友们，衷心的祝愿你们健康快乐，事业有成。 最后，谨以此文献给我最敬爱的家人，他们始终如一的支持和关爱，是我前进 的动力和精神支柱，谢谢您们多年来给予我无私的爱和奉献。 作者：聂本明 2 0 1 1 年3 月 第一章绪论1 1 1选题背景和研究意义一l 1 2国内外研究现状2 1 3 论文的内容安排2 第二章定标系统概述4 2 i定标器原理4 2 2 测量计数脉冲的误差5 2 3定标控制电路分析一6 2 4 计算机网络与可编程逻辑器件7 2 4 1 网络通信7 2 4 2f p g a 及硬件描述语言概述8 2 5 本章小结一9 第三章t c p i p 协议与网络通信解决方案1 0 3 1t c p i p 协议简介1 0 3 1 1t c p i p 协议分层l o 3 1 2t c p i p 工作原理l1 3 1 3 用户数据报协议u d p 11 3 2以太网通信方案比较1 2 3 3本章小结1 4 第四章定标系统硬件体系结构15 4 1 系统硬件结构1 5 4 2 信号调理电路1 5 4 2 1 参考电压电路的构成”1 6 4 2 2 道宽及阈值合成电路”1 7 4 2 3 脉冲幅度甄别及符合电路18 4 3 定标控制及网络传输模块2 4 4 3 1 系统控制模块2 4 4 3 2 网络芯片2 5 4 3 3 网络传输电路原理2 6 4 4 本章小结2 7 第五章基于f p g a 的定标系统控制器设计2 8 5 1基于f p g a 的系统控制器2 8 5 2 1 数字电位器控制电路2 8 5 2 2 计数单元及定时器3 3 5 3 网络芯片控制器3 3 5 3 1 硬件t c p i p 核3 3 5 3 2网络芯片寄存器及其访问3 4 5 3 3网络芯片通信流程3 6 5 4 命令解析模块4 8 5 5 片内存储器5 0 5 6 本章小结一5 0 第六章测试与展望5l 6 1网络通信的调试5 1 6 2系统参数测量5 2 6 3总结与展望5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间发表的论文5 6 图3 3 以太网通信方案一1 2 图3 4 以太网通信方案二1 3 图3 5 以太网通信方案三l3 图3 6 以太网通信方案四l3 图3 7 以太网通信方案五1 4 图4 1 系统结构框图“1 5 图4 2 前端信号调理电路1 6 图4 3m a x 5 4 9 4 内部结构图“i7 图4 4 道宽及阈值合成电路原理”1 8 图4 5 脉冲幅度甄别器原理1 8 图4 6 迟滞比较电路工作时序图”1 9 图4 7 单道脉冲幅度分析器工作原理1 9 图4 8 单道脉冲幅度分析器结构”1 9 图4 9 改进单道脉冲幅度分析器结构图2 0 图4 1 0 单道脉冲幅度分析器工作时序图一2 1 图4 1 i 毛刺产生造成的逻辑错误2 i 图4 1 2 实际单道脉冲幅度分析器结构图2 2 图4 1 3 迟滞比较电路结构图一2 2 图4 1 4 双单稳态触发电路原理2 4 图4 1 5f p g a 与网络芯片接口”2 4 图4 1 6 网络芯片w 5 3 0 0 内部结构2 5 图4 1 7 网络芯片w 5 3 0 0 原理2 6 图4 1 8 网络芯片外围电路2 7 图5 i 定标系统控制器结构2 8 图5 2 写电位器内部寄存器时序一3 0 图5 3 数字电位器控制电路3 0 图5 4 状态转换图3 3 图5 5 仿真时序图3 3 4 6 o 1 1 l 图5 7 读接收数据缓冲区数据3 5 图5 8u d p 通信协议流程图3 6 图5 9 网络芯片控制器结构图3 7 图5 1 0 复位时序图3 7 图5 11 定义内部套接字发送、接收缓冲区大小4 0 图5 1 2u i ) p 数据包结构4 2 图5 1 3 寄存器读时序4 5 图5 1 4 寄存器写时序4 5 图5 1 5 读写时序模块状态转换图”4 8 图5 1 6 读写时序模块仿真图”4 8 图5 1 7 控制器数据收发仿真4 8 图5 18 命令解析模块接口图4 9 图5 1 9 接收命令数据包格式“4 9 图5 2 0 片内存储器读时序一5 0 图5 2 l 片内存储器写时序5 0 图6 1 逻辑分析仪采样时序图5 1 图6 2 上位机t c p u d p 数据发送接收调试5 2 1 0 2 0 2 3 2 7 2 9 - 3 4 3 7 3 9 3 9 3 9 表5 7 套接字中断屏蔽寄存器s n i m r 4 1 表5 8 寄存器读时序要求4 5 表5 9 寄存器写时序要求4 6 表5 1 0 寄存器写时序要求4 9 表6 1 本设计与国内市场定标器部分参数比较5 3 第一章绪论 1 1选题背景和研究意义 随着核科学技术的发展，无论是对原子核内部特征和规律的研究，或者是 对原子核科学校术的应用，都需要对核辐射和原子核所携带的信息进行测量和 分析。通常，人们采用各种核辐射探测器来感受和传递核信息，并把它转换成 电信号，进而用电子学方法来处理研究这些信号，而且尽可能不失真地保存探 测器输出信号所携带的信息。从输出信号的幅度分布、时间关系、径迹图象等 给出相应的能量、电荷量、质量、时间和空间特性等各种信息，这就是核电子 学的研究方式与特点。 核电子学中，通常先将核探测器输出信号作模拟量放大和处理，然后通过 模数转换将有用的模拟信息变换成数字量，再送到计算机或数据获取系统中进 行处理，上述各部分构成了核电子学的测量系统。对整个测量系统和各部件， 相应都有一系列的特殊要求，包括：高的测量精度，即优越的幅度分辨、时间 分辨、波形分辨和计数率分辨的能力；快的测量时间，对各种时间量信息有高 速响应和处理的能力；高的稳定性和可靠性，包括环境温度、电源电压变化以 及长时间工作的稳定性、抗辐射性能；又如高线性、高灵敏度、使用方便等等。 在核物理和粒子物理实验中，最基本的测量方法是：采用各种核电子仪器 组成的系统和装置，来获取及处理核探测器测量核辐射时所得的电信号，并对 测量结果作出分析和记录。由于核电子学所研究的是如何处理和分析核辐射探 测器给出的电信号，因此必须首先对核辐射探测器的输出信号要有所了解。 通常，核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一、波形不尽一致、 前后间隔疏密不匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲，它们是由入射粒子 的性质和探测器的响应所决定的，根据这些脉冲及相关参数，可以得到有关核 辐射和粒子的信息。用电子学方法对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参 量的获取、处理和分析，可以获得粒子的功量、能邀、电荷量、质量、时间和 空间关系等各种性质，从而为识别粒子，研究其运动性质，为探讨其内在规律 提供实验依据。 核辐射探测器种类繁多，按给出信息的方式来分类，可分为给出电信号和 非电信信号两大类。但最广泛应用的是给出电信号的核探测器。因为它能进 步被放大、处理、记录和分析，便于作大量的、快速的、综合的各种研究。目 前常用的有气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器，它们接收核辐射后输出 电信号。不同探测器输出信号各有特点，也要求相应的电子学线路与之配套。 对于气体探测器，以电离室为例，它有二块金属平行板，工作时加上电压，当 入射带电粒子通过气体，使气体分子电离成电子一正离子对时，带负电荷的电 子和正离子在外加电场作用下分别作漂移运动，相应在平行板电极上产生感应 电荷，并在外电路上产生相应的电信号；而半导体探测器俗称固体电离室，与 气体电离室情况类似，但其分辨特性和计数率要优于气体探测器；对于闪烁探 测器，当射线入射到闪烁晶体时，先使闪烁体中的原子或分子激发，然后在退 激时发出荧光，此光脉冲射到光电倍增管的光阴极上转换成光电子，通过管内 逐级倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲。 定标器是一种核脉冲计数仪器，可以记录一段时间内的脉冲数量，用它配 合特定的核探测器，即可进行放射性测量。该仪器在粒子物理、核物理实验中 有着广泛的应用，可以安全的观测待测粒子或辐射源的特性。在一些大型的物 理实验中，辐射强度测量、幅度谱测量、本底噪声测量等方面，这种多通道定 标器的更是发挥了相当重要的作用【lj 。 本课题研究了一种核脉冲计数系统，可对多路核脉冲信号的远程监测及控 制，并且能够进行数据的高速率远程传输，从而能够远程观测待测粒子或辐射 源的特性。整个系统较传统定标器而言，计数容量更大、传输速率更快、稳定 性及安全性更高、使用及维护也更加方便【2 】。因此，希望这种新型的定标系统 能够对粒子物理、核物理的发展有一定的推动作用。 1 2国内外研究现状 定标器是核辐射测量的基本仪器，目前市场上具有代表性的主要有以下产 品：国内有北京核仪器厂生产的b h l 2 2 0 、f h 4 6 3 a 、f h 4 6 3 b 型自动定标器，其甄 别阈为0 1 v 5 v ，道宽为o 1 v 3 v ，最大定时时间9 0 u s ，最大计数容量为 1 0 0 0 0 0 0 0 0 s ，最高计数率2 m h z ，价格2 0 0 0 多元；北京核海高技术有限公司的 h y 4 6 3 h b 自动定标器【3 1 ，其最高计数率 5 1 0 0 0 0 0 0 s ，最大计数容量 1 0 0 0 0 0 0 0 0 s ，国内这些产品均不能进行远程网络通信。国外有美国的e g & g o r t e c 公司的m o d e rc f 4 0 0 0 型定标器，甄别阈为一l o m v 1 v ，最大工作速率为 2 0 m h z ，有4 个独立通道；意大利c a e n 公司的v m e - v 5 6 0 型定标器，计数深度3 2 b i t ， 最大计数率i o o m h z ，有1 6 个通道。国外也很少有产品能够实现远程网络通信， 而且价格一般都较昂贵。 1 3论文的内容安排 本文组织结构如下： 第一章：绪论 阐述了本论文的选题背景和研究意义，并简要分析了定标器的国内外研究 状况。 第二章：定标系统概述 介绍了定标器的相关知识，简述了其应用范围，并介绍了定标器的一般结 构和工作原理，同时分析了定标器在计数过程中产生误差的原因及种类，并以 2 公式进行说明，然后以一个传统的实际定标器为例，具体介绍了其电路结构、 工作流程和工作原理；最后论述了带有网络通信功能的新型定标系统所涉及到 的网络通信及可编程逻辑器件相关知识。 第三章：t c p i p 协议与网络通信解决方案 对网络协议进行了简要的介绍，首先对t c p i p 协议的应用进行了简单的描 述，然后较为详尽的描述了t c p i p 协议及其分层，并讲述了协议中各层的作用 及相互联系，重点说明和比较了传输层的两大协议一一t c p 协议和u d p 协议；在 第二部分中介绍了以太网通信的几种不同实现方案，并对其进行了比较，说明 了本系统所选方案的特点及优势。 第四章：定标系统硬件体系结构 主要对定标系统的硬件进行了介绍。概述了系统的硬件结构，然后分块对 各个模块进行描述，这些模块包括信号调理电路、定标控制和网络传输模块， 在介绍这些模块时，对其电路结构、工作原理、工作时序、电路接口以及所选 用的器件概况等等进行了详细的说明。 第五章：基于f p g a 的定标系统控制器设计 介绍了f p g a 实现的定标系统控制器。首先从总体上介绍了控制器的结构和 功能，然后分块介绍各个模块，包括定标控制电路、网络芯片控制模块、命令 解析模块以及片内存储器，其中围绕着网络芯片w 5 3 0 0 重点介绍了该芯片的控制 模块，讲述了如何操作网络芯片内部寄存器以实现以太网通信。 第六章：测试与展望 对系统的调试过程及结果进行了描述，并对其性能参数进行了测定，给出 了定标系统的实验数据图，最后对本论文的工作进行了总结，指出了存在的问 题，为该系统的进一步研究提供了思路和建议。 第二章定标系统概述 在核电子学实验中，常常需要了解核辐射的相关特性，而这些特性的获取 则依赖于核辐射探测器，探测器输出的一般是模拟信号，还需要转换为数字信 号，这些数字信号经过相应的数据获取系统的采集和处理后就能得出所需要的 实验结果。这种信号采集和处理的最基本方式就是脉冲信号计数，因为它可以 表征辐射源的强度，并与之成正比关系，在一段时间内对这种脉冲进行记录就 能够观测核辐射的强度”j 。 现代数据采集系统中，许多的现场采集系统都需要扩展网络功能，从而实 现数据远程传输和系统远程控制，同时也可方便系统的升级。而以太网则因其 成本低、易于集成、传输距离远等优势在数据采集系统中得到了普遍的应用【2 】。 本设计利用第三代高速硬件以太网协议芯片w 5 3 0 0 构建了一种新型的嵌入式以 太网控制系统，开发周期短、弹性高、数据通信效率高，同时能够有效的降低 主c p u 的网络通信负担【，j 。 同时，伴随着微电子技术的发展，出现了现场可编程门阵列( f p g a ) ，它 具有结构和逻辑单元灵活、设计制造成本低、集成度高以及适用范围广泛等优 点，可以方便的应用于多路定标器的设计中【6 】。本设计中采用了a 1 t e r a 公司的 c y c l o n e 系列f p g a 芯片来完成主要的逻辑功能，能够很便捷的进行多通道计数以 及相关的网络通信和控制功能。 2 1定标器原理 定标器是一种较早使用的核辐射探测仪器，配合特定的射线探头，便能对 放射性辐射源进行测量，在核物理及粒子物理实验中有着广泛的应用【7 1 。定标 器根据不同的使用要求有各种不同的形式，其电路结构也繁简各异，早期的定 标器一般都只能手动操作，安全可靠性不足，随着技术的进步，出现了一些具 有自动操作和控制功能的新型定标器，其性能也逐步提升，能够精确记录探测 器的输出脉冲数目，并能实时显示出来。定标器一般包括输入电路、计数电路、 定时电路和控制电路等部分，其原理如图2 1 所示。 图2 - 1 定标器原理图 4 定标器的输入部分一般包括倒相、缓冲模块和脉冲幅度甄别电路，这些电 路将输入脉冲进行整形，使其能够触发计数电路工作，其中的缓冲电路用于隔 离，而倒相电路则将负脉冲转换为正脉冲，甄别电路用于选择特定幅度的脉冲。 计数电路是定标器的重要组成部分，用于对输入脉冲进行计数，早期的计 数电路一般由十进制计数单元组成，计数容量般不超过1 0 木1 0 。，通常还有 译码显示电路，可用于实时观测实验数据。定时电路根据不同情况来选择所需 计数时间，包括石英晶体振荡器及分频电路j 。 控制电路则由逻辑电路组成，完成对设备的控制工作，使其在不同情况下 均能稳定运行，有些定标器可以由外部控制电路操作仪器的启动和停止【9 j 。 2 2测量计数脉冲的误差 在核脉冲计数中，定标器的计数是存在一定误差的，在整个设备硬件稳定 并且定时时间不变的情况下，其计数误差主要来源于计数的统计误差和漏计误 兰【1 0 1 z 1 二o ( 1 ) 统计涨落误差：核探测器的输出脉冲随着辐射源的辐射强度变化而变 化，因此脉冲的出现是随机的，这就使得在相同时间段内测得的脉冲数目存在 涨落，根据研究，这种涨落是服从泊松分布的，可以求得涨落的均方根值d 和 相对统计误差，即 o = 万 ( 2 1 ) ”詈= 击 浯2 ， 其中n 为所记录的脉冲数目，其值越大，相对误差就越小，测量精度就越高， 定标器的计数容量给出了其所允许记录的最大脉冲数目州一， 姗= ( 2 3 ) y ， v n 。是定标器的最小统计误差，为确保足够小的一，定标器的计数容量 应该足够大，例如当计数容量达到1 0 6 时，最小统计误差为o 1 。 ( 2 ) 漏计误差：核探测器输出脉冲根据辐射源的辐射情况随机出现，有时候 会在很短的时间内出现很多脉冲，也有可能很长一段时间内都没有脉冲到来， 前一种情况下，就要求定标器的计数电路能够记录这些短时间内到达的连续脉 冲，即要求其有足够小的分辨时间t 。定标器的参数，瑚x ( 最高计数频率) 便 能够反映上述能力，一般有，腑x 1 t ，表征定标器能记录的最高频率为，嘲的 恒定周期性脉冲。假设平均计数率为n ，探测器在时间t 内输出m 个脉冲的概率 可由泊松分布来表示，即 ( 咒r ) = 掣p 吲 ( 2 - 4 ) 计数电路分辨时间为t ，意味着它每记录一次脉冲后的时间段t 内不能再 f 一0 0 1 或以一 o 0 1 厶 ( 2 8 ) 以m “ 因此，计数电路的最高计数率万叫x 相对于记录周期信号脉冲的最高频率要 低两至三个数量级。 2 3定标控制电路分析 图2 2 是一个早期定标器的实例，它主要由以下几个部分组成。 广一一一。一。一一一一。一。一 i 罟团囹 ：输入电路 ；册 1 一一。 i ：陌 i l i l i l i 定 标 仃 里甲印冒印冒l 一图墒痫丽i 计数电路一 一! ! 一 慧k 叫嚣h 冀 断早k 一篙两i 三t 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一r 厂；= 彳ii 复 一i 一一一广一i 。 耄卜悖h 蠢 群6 岭囡甘团咽l 团l 匡 一一一一一一一一定时鼻蝥一一一一一一一一一一一一一一- 一一一一l - 一一- 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 2 早期实际定标器原理图 i i i i i 一 ( 1 ) 输入电路：包括倒相电路、甄别电路、单稳成形电路、计数电路等。这 些电路用于选择不同特征的输入脉冲，对其加以整形得到幅度、宽度一 定的脉冲，而后便可送入计数电路。 6 一 习一1 广l ( 2 ) 计数显示电路：它由一些十进制的计数单元构成，并采用译码器将记录 的脉冲数以数字的形式显示出来。 ( 3 ) 定时电路：该电路用于对计数电路进行计时，对时钟基准信号进行分频 便可得到不同的定时时间。 ( 4 ) 控制电路：该电路包括逻辑电路、单稳态电路和复位电路等，完成信号 的调理功能。 2 4计算机网络与可编程逻辑器件 与上述传统定标器不同的是，网络型定标器是一种新型的核脉冲计数系统， 它可以将采集到的数据通过网络送至远程的上位机，同时上位机可以远程操控 定标系统，使得系统更安全、可靠、方便操作。f p g a 贝u 实现数据采集和定标控 制功能，并且实现网络接口模块以完成网络通信功能，而这样的方案则更容易 实现网络通信以及系统的升级。 2 4 1 网络通信 在近十年来，随着t c p i p 协议的普遍应用和因特网技术的快速发展，计算 机网络已经进入普通百姓家庭，t c p i p 协议也已成为计算机网络实际上的标准 协议。计算机网络是由在地理上分散的、并且具有独立功能的诸多计算机通过 线路和通信设备互相连接起来，在配有相关的网络通信软件的情况下，实现计 算机之间的通信和资源共享的系统【1 1 1 。计算机网络根据其所跨越的地理范围分 为局域网( l a nl o c a la r e an e t w o r k ) 和广域网( w a nw i d ea r e an e t w o r k ) 。 ( 1 ) 局域网：地理覆盖范围一般在十公里以内，是一个部门或一个单位组 建的一种专用网络。这种网络具有较小的地域范围、较低的误码率、高传输速 率、专用性并且注重信息资源共享。 ( 2 ) 广域网：这是一种跨越大范围地域的网络，通常可以覆盖一个地区、 国家甚至全世界。这种网络是为了连接不同的局域网络而建立的【l 2 1 。 计算机网络为了实现计算机之间的互联，必须要遵循一定的信息交换规则 和约定，这些规则和约定称为通信协议。为了减少协议的复杂程度，大多数网 络协议都按层或级的方式来进行组织，并且每一层都建立在它的下一层之上。 其中的每一层都要向它的上一层提供一定的服务，并将这种服务实现的细节对 上一层加以屏蔽。 网络通信双方在相同的层之间进行通信，通信的规则和协定的整体就是该 层的协议，每一层有一个或多个协议，这几个层合成了一个协议栈。这种协议 的分层模型便于软件按模块的方式进行设计和实现，这样一来各层协议的设计、 修改、实现和测试都可以独立进行，从而减少了设计的复杂性【l3 1 。 2 4 2f p g a 及硬件描述语言概述 1 f p g a 简介 f p g a ( f ie l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 即现场可编程门阵列，是专用集成 电路领域的一种半定制电路。同一块f p g a 芯片通过下载不同的配置文件就可产 生不同的电路结构，进而实现不同的功能，其应用领域涉及通信、网络、数据 处理、仪器、军事、工业控制和航空航天等诸多方面，并随着成本和功耗的进 一步降低，f p g a 还将应用于更多的领域中【l4 1 。 目前，大多数f p g a 在使用时都要外接一个程序存储器以保存配置文件，加 电后f p g a 芯片从其中读取数据到片内的编程r a m 中，f p g a 在配置完成后即可进 行正常工作，在掉电后，f p g a 内部逻辑电路解体【l5 1 。因此，f p g a 可以重复使用， 当需要改变f p g a 的电路功能时，只需更改程序并生成对应的配置文件，硬件无 需变化。f p g a 芯片是可定制的特殊a s i c 芯片，它除具有a s i c 的特点之外，还有 以下几个优点： ( 1 ) 随着工艺水平的不断提高，一块芯片内可集成的晶体管数量已达到上百 万个，使得f p g a 实现的电路功能也越来越强大。 ( 2 ) f p g a 芯片在出厂前都做过非常可靠的测试，因而设计人员不需要承担投 片风险，只要在实验室里利用相关的软硬件环境来完成芯片的功能设计， 可以节省许多潜在的花费。 ( 3 ) 用户可以反复地对f p g a 芯片进行编程，可在不改变外围电路的情况下利 用不同的软件实现不同的功能。 ( 4 ) f p g a 软件包中有输入、仿真、版图设计工具及编程器等全套产品，电路 设计者可以很方便的完成电路的输入、编译、优化、仿真、直至芯片制 作。 ( 5 ) f p g a 软件易学易用性使得电路设计人员利用f p g a 进行电路设计时，无需 具备专门的集成电路设计深层次的知识。 2 硬件描述语言v e r il o gh d l 简介 v e r il o gh d l 是一种最常用的硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级 的多种抽象层次的数字系统建模，这种语言不仅定义了相关语法，还对每个语 法结构定义了清晰的仿真、模拟语义，因此用该语言编写的模型能够用v e r il o g 仿真器进行验证。 设计人员可以利用硬件描述语言在一个非常抽象的层次上进行设计工作， 只需要编写寄存器级描述而无需考虑特定的制造工艺，因为逻辑综合工具可以 将设计自动地转换至对应的制造工艺。采用硬件描述语言来进行设计，设计工 作的功能验证环节可以在整个设计周期的早期来完成，因为设计人员可以优化 和改善r t l 级描述直到它达到预定要求，大多数的设计缺陷在这一环节上被消 除。这在极大程度上缩短了设计周期，因为在之后的设计工作中遇到功能缺陷 设计方法，尤其适于数字系统控制模块的设计，是许多数字电路的核心。用 v e r il o gh d l 中的c a s e 、if - e ls e 等语句可以很好地描述状态机设计，它是一个 广义的时序电路，触发器、计数器、移位寄存器等是它的特殊功能的种，在 电子设计自动化中，状态机经常担任c p u 的功能，从某种意义上讲，状态机的 应用让系统有了智能化的功能【l7 1 。有限状态机的应用给设计工作带来诸多好 处，具体有以下一些优点： ( 1 ) 有限状态机结构相对简单，设计方案相对固定，有利于综合器的优化； ( 2 ) 能够容易的实现性能良好的同步时序逻辑电路，有利于解决竞争冒险现 象； ( 3 ) 在控制和高速运算方面，状态机有着巨大的优势。一个结构体中可包含 多个状态机，类似于并行运行的多c p u 系统； ( 4 ) 状态机的运行速度远远高于一般的c p u ，其状态变换一次只需一个时钟周 期，且每一状态中都可完成许多并行运算和控制操作； ( 5 ) 在可靠性方面，状态机有着明显的优势。状态机进入非法状态并从中跳 出来所耗时间极短，通常只需2 个时