CN104880476A - 支持元素定性定量分析的数字多道系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种支持元素定性定量分析的数字多道系统，包括：高阻隔离电路，输入端与信号输入端连接；二次放大可调矩阵电路，输入端与高阻隔离电路的输出端连接；模数转换电路，输入端与二次放大可调矩阵电路的输出端连接；多道分析逻辑单元，输入端与模数转换电路的输出端连接；双端口内存，与多道分析逻辑单元的输出端连接；嵌入式处理器，与双端口内存连接；谱形滤波单元，与嵌入式处理器连接；谱形分解单元，与谱形滤波单元的输出端连接；定性分析单元，与谱形分解单元的输出端连接；定量计算单元，与定性分析单元的输出端连接。本发明具有结构简单、成本低、精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及XRF领域高分辨率探测器的信号处理和元素的定性定量分析领域，特别涉及一种支持元素定性定量分析的数字多道系统。
背景技术
现有技术中的多道技术抵抗来自高压电源的空间辐射所产生的周期性干扰能力较弱，无法通过软件来调整探测器信号的脉冲成型时间等参数，且因为峰值检测时间过长而导致整个系统的采样死时间过大从而影响样品测试准确性，且在处理探测器较高频率的脉冲信号时容易堵塞，而导致计数率较低。
另外，现有技术中的多道仅仅是得到谱形数据，没有进一步对数据做处理的能力，必须用外接的电脑或者PDA去专门处理谱形数据从而去做进一步分析,这样需要在不同的平台上开发光谱分析算法，跨平台移植难度较大。最后，现有技术中的多道使用过多的放大器导致发热量较大，板子面积较大。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、成本低、精度高的支持元素定性定量分析的数字多道系统。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种支持元素定性定量分析的数字多道系统，包括：信号输入端；高阻隔离电路，输入端与信号输入端连接，用于去除输入信号的高频干扰，给输入信号提供高阻抗隔离，并给信号一个固定的时间常数；二次放大可调矩阵电路，输入端与高阻隔离电路的输出端连接，用于给放大或缩小所述高阻隔离电路输出的信号幅度，使输出信号幅度落在模数转换电路的理想动态范围内；模数转换电路，输入端与二次放大可调矩阵电路的输出端连接，用于将模拟信号转换成数字信号；多道分析逻辑单元，输入端与模数转换电路的输出端连接，用于将检测到的峰值电压转换为脉冲计数，并将脉冲计数存放在一维数组内的相应位置从而得到实时光谱数据；双端口内存，与多道分析逻辑单元的输出端连接，用于保存当前的光谱数据和数字多道参数设置及状态信息；嵌入式处理器，与双端口内存连接，用于通过其内置的实时嵌入式操作系统周期性访问双端口内存，以获取最新的光谱数据和状态信息，同时嵌入式处理器控制二次放大可调矩阵电路的放大倍数；谱形滤波单元，与嵌入式处理器连接，用于对嵌入式处理器接收到的谱形数据做软件滤波；谱形分解单元，与谱形滤波单元的输出端连接，用于对滤波后的谱形进行分解得到各元素的特征能量峰；定性分析单元，与谱形分解单元的输出端连接，用于基于谱形分解后的结果计算出存在的各元素；定量计算单元，与定性分析单元的输出端连接，用于根据已存在的元素得到各元素精确含量。
优选地，还包括：脉冲选择逻辑单元，模数转换电路通过脉冲选择逻辑单元与多道分析逻辑单元连接，用于实现堆积排除功能以去除无用的脉冲信号。
优选地，还包括：数字脉冲整形单元，模数转换电路通过数字脉冲整形单元与多道分析逻辑单元连接，用于稳定信号并将正态信号整形成正梯形波信号，以使检测峰值电压稳定可靠。
优选地，还包括：内存通讯接口，多道分析逻辑单元通过内存通讯接口与双端口内存连接，用于将实时光谱数据发送给双端口内存。
优选地，还包括：浮点运算单元，与嵌入式处理器连接，定量计算单元通过浮点运算单元得到各元素精确含量。
优选地，还包括：无线路由模块，与定量计算单元连接，用于将计算出来的结果连同设置参数一起通过无线网络的方式传递给客户终端。
优选地，浮点运算单元为单独设计基于SIMD技术的硬件浮点运算单元，提供64位/128位宽的矢量操作，配合优化后的算法代码，使提高海量迭代浮点运算的速度。
优选地，多道分析逻辑单元、双端口内存、嵌入式处理器、谱形滤波单元、谱形分解单元、定性分析单元和定量计算单元集成在一块带ARM处理器的FPGA中。
优选地，嵌入式处理器由ARM核逻辑实现。
本发明的测量精度可达到国外同类型的数字化多道顶尖水平，可靠性与稳定性比同类型产品大幅度提升，使得跨平台部署终端成为可能，且装配在XRF仪器上，极大缩减仪器空间结构，同时使得便携式XRF产品的实现成为现实。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的结构示意图。
图中附图标记：1、信号输入端；2、高阻隔离电路；3、二次放大可调矩阵电路；4、模数转换电路；5、多道分析逻辑单元；6、双端口内存；7、嵌入式处理器；8、谱形滤波单元；9、谱形分解单元；10、定性分析单元；11、定量计算单元；12、脉冲选择逻辑单元；13、数字脉冲整形单元；14、内存通讯接口；15、浮点运算单元；16、无线路由模块；17、Si-Pin探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参考图1，本发明提供了一种支持元素定性定量分析的数字多道系统，适用XRF领域硅-PIN,SDD,硅锂等高分辨率探测器的信号处理和元素的定性定量分析。
该系统包括：信号输入端1；高阻隔离电路2，输入端与信号输入端1连接，用于去除输入信号的高频干扰，给输入信号提供高阻抗隔离，并给信号一个固定的时间常数；二次放大可调矩阵电路3，输入端与高阻隔离电路2的输出端连接，用于给放大或缩小所述高阻隔离电路2输出的信号幅度，使输出信号幅度落在下述模数转换电路4的理想动态范围内；模数转换电路4，输入端与二次放大可调矩阵电路3的输出端连接，用于将模拟信号转换成数字信号；多道分析逻辑单元5，输入端与模数转换电路4的输出端连接，用于将检测到的峰值电压转换为脉冲计数，并将脉冲计数存放在一维数组内的相应位置从而得到实时光谱数据；双端口内存6，与多道分析逻辑单元5的输出端连接，用于保存当前的光谱数据和数字多道参数设置及状态信息；嵌入式处理器7，与双端口内存6连接，用于通过其内置的实时嵌入式操作系统周期性访问双端口内存6，以获取最新的光谱数据和状态信息，同时嵌入式处理器7控制二次放大可调矩阵电路3的放大倍数；谱形滤波单元8，与嵌入式处理器7连接，用于对嵌入式处理器7接收到的谱形数据做软件滤波；谱形分解单元9，与谱形滤波单元8的输出端连接，用于对滤波后的谱形进行分解得到各元素的特征能量峰；定性分析单元10，与谱形分解单元9的输出端连接，用于基于谱形分解后的结果计算出存在的各元素；定量计算单元11，与定性分析单元10的输出端连接，用于根据已存在的元素得到各元素精确含量。
由于采用了上述技术方案，本发明具有结构简单、成本低、精度高的特点。
优选地，还包括：脉冲选择逻辑单元12，模数转换电路4通过脉冲选择逻辑单元12与多道分析逻辑单元5连接，用于实现堆积排除功能以去除无用的脉冲信号。
优选地，还包括：数字脉冲整形单元13，模数转换电路4通过数字脉冲整形单元13与多道分析逻辑单元5连接，用于稳定信号并将正态信号整形成正梯形波信号，以使检测峰值电压稳定可靠。
优选地，还包括：内存通讯接口14，多道分析逻辑单元5通过内存通讯接口14与双端口内存6连接，用于将实时光谱数据发送给双端口内存6。
优选地，还包括：浮点运算单元15，与嵌入式处理器7连接，定量计算单元11通过浮点运算单元15得到各元素精确含量。
优选地，还包括：无线路由模块16，与定量计算单元11连接，用于将计算出来的结果连同设置参数一起通过无线网络的方式传递给客户终端。
优选地，浮点运算单元15为单独设计基于SIMD技术的硬件浮点运算单元，提供64位/128位宽的矢量操作，配合优化后的算法代码，使提高海量迭代浮点运算的速度。
优选地，多道分析逻辑单元5、双端口内存6、嵌入式处理器7、谱形滤波单元8、谱形分解单元9、定性分析单元10和定量计算单元11集成在一块带ARM处理器的FPGA中。
优选地，嵌入式处理器7由ARM核逻辑实现。
下面，对本发明的具体工作原理进行说明。
Si-Pin探测器17送出的微弱脉冲信号经前置放大器模块放大处理后，以初级放大信号送入到本发明中的数字多道系统。该信号经过高阻隔离电路2后，被去除掉高频干扰信号；由嵌入式处理器7输出控制二次放大可调矩阵电路3来调节信号放大倍数，倍数参考范围1-50；经过二次放大的信号被模数转换电路4转换为数字信号，此处ADC采样频率80MHz，放大信号脉冲频率设计小于100KHz，ADC为12位，ADC输出实时采样数据给FPGA芯片。
FPGA芯片内部的数字脉冲整形单元13将接收到的ADC数据基于管线架构得到实时整形脉冲，该部分包含基线恢复功能(稳定谱形)和峰值检测功能(检测当前脉冲信号真实电平)；脉冲选择逻辑单元12主要用于做堆积排除功能(去除一部分不需要的脉冲)。
经过处理后的脉冲信号峰值电压值会送到多道分析逻辑单元5，且这些数值会按0-2V分为2048个通道。当一个电压信号被检测到后，相应的通道的计数会自加一，这样2048个计数数据组成一个大小为2048的一维数组，该数组数据将会通过内存通讯接口14传输给双端口内存6，该数组即为光谱原始谱形。
运行在ARM 1.5G双核上的实时嵌入式操作系统会周期性访问双端口内存6去获取最新的光谱数据和状态信息。实时嵌入式操作系统还通过谱形滤波单元8对原始谱形进行软件滤波，经过初步处理的光谱数据进入谱形分解单元9中根据元素能量一一分解，分解后的谱形通过定性分析单元10进行模型算法定性分析；定性分析后计算出各元素特征荧光线的强度，对各元素的特征线的强度通过海量浮点数据搜寻、比对、智能逼近等数学算法由定量计算单元11做定量算法运算；由于定量计算单元11包含大量的浮点迭代运算，FPGA芯片里特别模拟了一个浮点运算单元来处理该运算，保证快速得到运算结果。最后计算出来的结果连同设置参数一起通过无线路由模块16通过无线网络的方式传递给客户终端(如电脑/IPHONE/IPAD等)。
本发明在保证真实反映信号的物理特性的基础上,通过FPGA芯片对脉冲信号进行整形和软件滤波，能较彻底去除干扰信号，从而得到较好的分辨率。同时，通过FPGA内置的ARM-A9双核处理器，运行于该ARM核上的嵌入式系统下的应用软件可以对数据做分析和处理，从而直接得到样品测试后的定性定量分析结果，通过网络传输结果，实现跨平台终端的快速部署。本发明的测量精度可达到国外同类型的数字化多道顶尖水平，可靠性与稳定性比同类型产品大幅度提升，使得跨平台部署终端成为可能，且装配在XRF仪器上，极大缩减仪器空间结构，同时使得便携式XRF产品的实现成为现实。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种支持元素定性定量分析的数字多道系统，其特征在于，包括：
信号输入端(1)；
高阻隔离电路(2)，输入端与所述信号输入端(1)连接，用于去除输入信号的高频干扰，给输入信号提供高阻抗隔离，并给信号一个固定的时间常数；
二次放大可调矩阵电路(3)，输入端与所述高阻隔离电路(2)的输出端连接，用于给放大或缩小所述高阻隔离电路(2)输出的信号幅度，使输出信号幅度落在下述模数转换电路(4)的理想动态范围内；
模数转换电路(4)，输入端与所述二次放大可调矩阵电路(3)的输出端连接，用于将模拟信号转换成数字信号；
多道分析逻辑单元(5)，输入端与所述模数转换电路(4)的输出端连接，用于将检测到的峰值电压转换为脉冲计数，并将所述脉冲计数存放在一维数组内的相应位置从而得到实时光谱数据；
双端口内存(6)，与所述多道分析逻辑单元(5)的输出端连接，用于保存当前的光谱数据和数字多道参数设置及状态信息；
嵌入式处理器(7)，与所述双端口内存(6)连接，用于通过其内置的实时嵌入式操作系统周期性访问所述双端口内存(6)，以获取最新的光谱数据和状态信息，同时所述嵌入式处理器(7)控制所述二次放大可调矩阵电路(3)的放大倍数；
谱形滤波单元(8)，与所述嵌入式处理器(7)连接，用于对所述嵌入式处理器(7)接收到的谱形数据做软件滤波；
谱形分解单元(9)，与所述谱形滤波单元(8)的输出端连接，用于对滤波后的谱形进行分解得到各元素的特征能量峰；
定性分析单元(10)，与所述谱形分解单元(9)的输出端连接，用于基于谱形分解后的结果计算出存在的各元素；
定量计算单元(11)，与所述定性分析单元(10)的输出端连接，用于根据已存在的元素得到各元素精确含量。
2.根据权利要求1所述的数字多道系统，其特征在于，还包括：
脉冲选择逻辑单元(12)，所述模数转换电路(4)通过所述脉冲选择逻辑单元(12)与所述多道分析逻辑单元(5)连接，用于实现堆积排除功能以去除无用的脉冲信号。
3.根据权利要求1至2所述的数字多道系统，其特征在于，还包括：
数字脉冲整形单元(13)，所述模数转换电路(4)通过所述数字脉冲整形单元(13)与所述多道分析逻辑单元(5)连接，用于稳定信号并将正态信号整形成正梯形波信号，以使检测峰值电压稳定可靠。
4.根据权利要求1至3所述的数字多道系统，其特征在于，还包括：
内存通讯接口(14)，所述多道分析逻辑单元(5)通过所述内存通讯接口(14)与所述双端口内存(6)连接，用于将实时光谱数据发送给所述双端口内存(6)。
5.根据权利要求1至4所述的数字多道系统，其特征在于，还包括：
浮点运算单元(15)，与所述嵌入式处理器(7)连接，所述定量计算单元(11)通过所述浮点运算单元(15)得到各元素精确含量。
6.根据权利要求1至5所述的数字多道系统，其特征在于，还包括：
无线路由模块(16)，与所述定量计算单元(11)连接，用于将计算出来的结果连同设置参数一起通过无线网络的方式传递给客户终端。
7.根据权利要求5所述的数字多道系统，其特征在于，所述浮点运算单元(15)为单独设计基于SIMD技术的硬件浮点运算单元，提供64位/128位宽的矢量操作，配合优化后的算法代码，使提高海量迭代浮点运算的速度。
8.根据权利要求1至7所述的数字多道系统，其特征在于，所述多道分析逻辑单元(5)、双端口内存(6)、嵌入式处理器(7)、谱形滤波单元(8)、谱形分解单元(9)、定性分析单元(10)和定量计算单元(11)集成在一块带ARM处理器的FPGA中。
9.根据权利要求8所述的数字多道系统，其特征在于，所述嵌入式处理器(7)由ARM核逻辑实现。
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