基于FPGA的數(shù)字核脈沖分析器硬件設(shè)計(jì)解析

　　多道脈沖幅度分析儀和射線能譜儀是核監(jiān)測(cè)與和技術(shù)應(yīng)用中常用的儀器。20世紀(jì)90年代國(guó)外就已經(jīng)推出了基于高速核脈沖波形采樣和數(shù)字濾波成型技術(shù)的新型多道能譜儀，使數(shù)字化成為脈沖能譜儀發(fā)展的重要方向。國(guó)內(nèi)譜儀技術(shù)多年來(lái)一直停留在模擬技術(shù)水平上，數(shù)字化能譜測(cè)量技術(shù)仍處于方法研究階段。為了滿足不斷增長(zhǎng)的高性能能譜儀需求，迫切需要研制一種數(shù)字化γ能譜儀。通過(guò)核脈沖分析儀顯示在顯示器上的核能譜幫助人們了解核物質(zhì)的放射性的程度。

　　1 數(shù)字多道分析儀的優(yōu)勢(shì)

　　國(guó)內(nèi)很大一部分學(xué)者采用核譜儀模擬電路的方式實(shí)現(xiàn)脈沖堆積的處理。由于整個(gè)過(guò)程都是由模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以一直受到多種不利因素的困擾：模擬濾波成形電路有限的處理能力達(dá)不到最佳濾波的要求;模擬系統(tǒng)在高計(jì)數(shù)率下能量分辨率顯著下降，脈沖通過(guò)率低;模擬電路固有的溫漂和不易調(diào)整等特點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性、線性及對(duì)不同應(yīng)用的適應(yīng)性不高;在脈沖波形識(shí)別、電荷俘獲效應(yīng)校正等更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合模擬系統(tǒng)無(wú)法勝任。

　　相比來(lái)看，數(shù)字脈沖幅度分析系統(tǒng)的性能顯著優(yōu)于模擬脈沖分析器。數(shù)字分析器有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性;可以利用數(shù)字信號(hào)處理方法針對(duì)輸入噪聲特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳或準(zhǔn)最佳濾波效果;處理速度快，反堆積能力強(qiáng)，相同能量分辨率下脈沖通過(guò)率更高;參數(shù)由程序控制，調(diào)整方便、簡(jiǎn)單。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　本方案設(shè)計(jì)了一種基于可編程門(mén)陣列的多道脈沖幅度分析器的硬件平臺(tái)。圖1即為總體設(shè)計(jì)框圖，探測(cè)器輸出的核脈沖信號(hào)經(jīng)前端電路簡(jiǎn)單調(diào)理后，經(jīng)單端轉(zhuǎn)差分，由采樣率為65 MHz的高速ADC 在FPGA 的控制下進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，完成核脈沖的數(shù)字化，并通過(guò)數(shù)字核脈沖處理算法在FPGA內(nèi)形成核能譜，核能譜數(shù)據(jù)可通過(guò)16 位并行接口傳輸至其他譜數(shù)據(jù)處理終端，也可通過(guò)LVDS/RS 485接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。特別需要注意的是，由于高速AD前置，調(diào)理電路應(yīng)該滿足寬帶、高速，且電路參數(shù)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整的需要，以適應(yīng)不同類型探測(cè)器輸出的信號(hào)，從而更好地發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

　　3 具體硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 前端電路

　　前端電路由單端轉(zhuǎn)差分和高速ADC電路組成。差分電路由于其良好的抗共模干擾能力而應(yīng)用廣泛。由于調(diào)理電路輸出的脈沖信號(hào)為單極性信號(hào)，若直接送入ADC，將損失一半的動(dòng)態(tài)范圍。設(shè)計(jì)中在運(yùn)放中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒妷海瑢螛O性信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性信號(hào)后再送入ADC，以保證動(dòng)態(tài)范圍。將信號(hào)由單端轉(zhuǎn)換成差分的同時(shí)，進(jìn)行抗混疊濾波處理，完成帶寬的調(diào)整 。

　　本設(shè)計(jì)使用AD9649 - 65 高速ADC 實(shí)現(xiàn)核脈沖的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，AD9649 為14 位并行輸出的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有功耗低、尺寸小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)從探測(cè)器通過(guò)調(diào)理電路，過(guò)差分轉(zhuǎn)單端電路后，以差分信號(hào)的形式進(jìn)入ADC， 在差分時(shí)鐘的控制下，轉(zhuǎn)換成14 位數(shù)據(jù)，進(jìn)入FPGA.該高速A/D 在外部FPGA 的控制下對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。然后將采樣后的數(shù)字信號(hào)送入FPGA 中實(shí)現(xiàn)數(shù)字核脈沖的幅度提取。圖2 為A/D 轉(zhuǎn)換的原理圖，AD9649在差分時(shí)鐘的同步下完成A/D轉(zhuǎn)換，D0~D13為14個(gè)有效輸出數(shù)據(jù)位。

　　3.2 FPGA

　　目前國(guó)內(nèi)外多道脈沖幅度分析的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)主要有2種方案：純DSP方案、DSP+可編程器件方案。本文將充分發(fā)揮FPGA 的并行處理優(yōu)勢(shì)，在單片F(xiàn)PGA 芯片上實(shí)現(xiàn)核脈沖的采集與數(shù)字核脈沖處理算法，經(jīng)Quar-tus-Ⅱ軟件仿真與綜合，本文選用EP3C40 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)多道分析器的數(shù)字化功能。

　　3.3 接口電路設(shè)計(jì)采用了LVDS和RS485兩種長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸接口，用于實(shí)現(xiàn)核能譜數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。LVDS即低電壓差分信號(hào)，是一種可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接，具有低功耗，低誤碼率，低串?dāng)_，低噪聲和低輻射等特點(diǎn)。LVDS在對(duì)信號(hào)完整性、地抖動(dòng)及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。圖3為低電壓、最高數(shù)據(jù)傳輸速率為655 Mb/s 的LVDS 接口電路。

　　在高速通信狀態(tài)下，其通信距離可達(dá)到幾百米。

　　而RS 485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，有很強(qiáng)的抗共模干擾能力和抗噪聲干擾能力。其最大的通信距離約為1 219 m，最大傳輸速度為10 Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100 Kb/s以下的傳輸速率下，可以達(dá)到最大的通信距離。

　　3.4 電源電路

　　穩(wěn)壓電源通常有兩類：線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源的功率調(diào)整開(kāi)關(guān)晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾，若采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，這些干擾將嚴(yán)重地影響數(shù)字多道分析器的正常工作，降低A/D轉(zhuǎn)換精度。所以本文采用線性穩(wěn)壓電源為各功能模塊供電。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓比輸入電壓低，反應(yīng)速度快，輸出波紋較小，工作產(chǎn)生的噪聲低。

　　本文設(shè)計(jì)的電源電路其輸入電壓為9~12 V，輸出電壓有5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V，1.2 V.線性穩(wěn)壓電路為單端轉(zhuǎn)差分、ADC、FPGA、LVDS等各模塊供電。

　　4 數(shù)字尋峰

　　NaI（Tl）探測(cè)器輸出信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路后進(jìn)入高速ADC，ADC 進(jìn)行連續(xù)高速的采樣，然后由FPGA 完成數(shù)字核脈沖信號(hào)的積分、峰值檢測(cè)、閾值判斷等功能［8］。由于當(dāng)核能譜達(dá)到峰值時(shí)，其一階導(dǎo)數(shù)為0，據(jù)此可在連續(xù)的輸入信號(hào)中找到各核脈沖的峰值，并將該峰值對(duì)應(yīng)道址的計(jì)數(shù)值加1，從而形成核能譜。為提高尋峰效率，尋峰之前需要對(duì)離散脈沖信號(hào)進(jìn)行閾值判斷，對(duì)幅值低于閾值下限的信號(hào)不進(jìn)行尋峰處理，可大大減少參與尋峰的離散核脈沖信號(hào)。

　　5 功能測(cè)試

　　利用Borland C++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)了譜數(shù)據(jù)處理上位機(jī)軟件，軟件實(shí)現(xiàn)了能譜顯示、能譜數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、RS 485通信等功能。圖4是本文設(shè)計(jì)的數(shù)字多道分析器分析137CS得到的1 024道能譜，其能量分辨率接近8%.

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本文提出了一種基于FPGA 的數(shù)字核脈沖分析器硬件設(shè)計(jì)方案。該方案在單片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)了多道脈沖幅度的數(shù)字分析功能，通過(guò)軟件功能仿真和實(shí)際運(yùn)行，說(shuō)明了數(shù)字多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)的可行性，將FPGA 應(yīng)用到數(shù)字能譜測(cè)量系統(tǒng)能充分發(fā)揮其并行處理優(yōu)勢(shì)，并能有效降低硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。