CN106645248A - 一种基于fpga的多道脉冲幅度分析器 - Google Patents

一种基于fpga的多道脉冲幅度分析器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，用于能量色散型X射线荧光光谱仪中数据的采集和处理，包括信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路，所述信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路依次连接；所述FPGA内部设有AD控制模块、主控制模块、通讯模块、RAM模块、滤波模块，所述主控制模块分别与AD控制模块、通讯模块、RAM模块和滤波模块连接，所述RAM模块还与通讯模块连接；所述AD控制模块与AD转换电路连接，所述通讯模块与通讯电路连接；所述RAM模块采用双RAM结构，提高系统处理速度，降低出错率；所述FPGA实现数字滤波和峰值识别，降低系统复杂度，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器
技术领域
本发明公开了一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，用于能量色散型X射线荧光光谱仪中数据的采集和处理，属于分析仪器领域。
背景技术
能量色散型X射线荧光光谱仪是一种可以用于快速分析出物质中元素种类和含量的新型测量分析仪器，因为其可以在不破坏样品结构的情况下对样品中的多种元素同时做出较为准确的分析，在矿物分析、有害物质检测等方面得到广泛应用。而多道脉冲幅度分析器是能量色散型X射线荧光光谱仪的核心部件，其接收能量色散型X射线荧光光谱仪的探测器输出的光谱信号，经分析和处理得到能谱数据，并将能谱数据发送到上位机中，供上位机软件进行进一步的分析和处理，实现样品中元素的定量和定性分析。
目前国内以模拟电路为主的多道脉冲幅度分析器，使用模拟电路对光谱信号进行放大、滤波、峰值识别等处理，微处理器主要实现根据峰值大小进行加1技术的操作。这样的多道脉冲幅度分析器硬件结构复杂，功耗大，不能灵活的调节电路参数，处理速度和分辨能力不高。
发明内容
1、要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，设计一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，进行数字滤波和峰值识别，提高系统的稳定性和可靠性；使用FPGA代替原有多道脉冲幅度分析器中模拟电路的部分功能，以降低功耗，简化系统结构，使参数可调，增加灵活性；多种接口电路可供选择，增加系统的适应性。
2、技术方案
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，包括信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路，所述信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路依次连接；
所述FPGA内部设有AD控制模块、主控制模块、通讯模块、RAM模块、滤波模块，所述主控制模块分别与AD控制模块、通讯模块、RAM模块和滤波模块连接，所述RAM模块还与通讯模块连接；所述AD控制模块与AD转换电路连接，所述通讯模块与通讯电路连接；
所述信号调理电路接收能量色散型X射线荧光光谱仪的探测器输出的光谱信号，并对光谱信号进行放大、模拟滤波、整形、基线恢复处理，得到可供AD转换电路处理的脉冲信号；
所述AD转换电路接收信号调理电路输出的脉冲信号，并对其进行AD转换，得到数字信号；
所述AD控制模块控制AD转换电路，并将AD转换后的数字信号存进FIFO缓冲区中，供主控制模块读取；
所述通讯模块用于控制通讯电路和上位机通讯，接收上位机发送的控制命令，并从RAM模块读取能谱数据发送到上位机，供上位机软件进行进一步的分析和处理；
所述RAM模块采用双RAM结构存储能谱数据，提高信号处理速率，降低出错率；
所述主控制模块用于从AD控制模块的FIFO缓冲区读取数字信号，将其发送到滤波模块进行光滑滤波处理，识别峰值，滤波模块将峰值对应的原始数据发送到主控制模块中，主控制模块根据滤波模块处理后的数字信号形成能谱数据。作为优选，所述通讯电路包括RS232通讯电路、USB通讯电路。
作为优选，所述滤波模块从接收到的数字信号中获得连续9点原始数据，进行5点光滑滤波处理，对得到的5个滤波数据进行峰值识别。
作为优选，所述FPGA的芯片型号为EP4CE10。
作为优选，还包括电源模块，所述电源模块采用开关电源供电，并经过稳压电路转换成多道脉冲幅度分析器所需要的多种电压值。
作为优选，所述AD转换电路中使用的AD器件，其自带采样保持器，转换精度为12到16位，速度至少为100kHZ。
3、有益效果
本发明具有以下有益效果：
1、本发明使用FPGA进行数字滤波和峰值识别，降低了系统功耗和复杂度，提高了系统的稳定性和可靠性；
2、本发明在FPGA中设计了双RAM结构存储能谱数据，解决了计算当前能谱数据和发送能谱数据在时序上的冲突，既保证了处理速度，又降低了出错率；
3、本发明设计了多种接口电路，以适应不同上位机的通讯要求，提高了系统的适应性；
4、本发明在FPGA中对采集的原始数字信号先进性光滑滤波处理，在对滤波后的数据进行峰值识别，减小了噪声干扰，提高峰值识别率；并且可以根据实际信号设计滤波参数，提高系统的灵活性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的一个应用场景的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下面详细说明本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。
本发明的结构示意图如图1所示，包括信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路，信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路依次连接。 FPGA内部设有AD控制模块、主控制模块、通讯模块、RAM模块、滤波模块。主控制模块分别与AD控制模块、通讯模块、RAM模块和滤波模块连接， RAM模块还与通讯模块连接； AD控制模块与AD转换电路连接，通讯模块与通讯电路连接。
本发明的一个应用场景如图2所示，包括X射线管、SI-PIN探测器、多道脉冲幅度分析器和计算机。当在X射线管两端加高电压时，X射线管会发射X射线束，该X射线束被称为原级X射线。原级X射线束照射到待测样品上时，样品中的分析元素吸收X射线能量受到激发，发出特征X射线。经光路传播后，一部分会进入SI-PIN探测器，转化为与其能量成正比的光谱信号。多道脉冲幅度分析器处理光谱信号形成能谱数据，并将能谱数据发送到计算机，经计算机软件处理后，实现元素的定性和定量分析。
本应用场景中使用的上位机为普通计算机，使用的通讯电路RS232电路。除了应用场景中所示的RS232通讯电路，本发明还包括USB通讯电路等通讯电路，可以适应不同上位机的通讯要求。为了保证通讯电路和FPGA中通讯模块的一致性，通讯模块按照RS232通讯协议设计，以控制RS232通讯电路，并从计算机中接受控制命令、发送系统状态、发送能谱数据。
信号调理电路接收SI-PIN探测器输出的光谱信号，处理得到可供AD转换电路处理的脉冲信号，分为整形放大电路、滤波电路和基线恢复电路。SI-PIN探测器输出的光谱信号较小，一般只有几mv，不能直接让AD转换电路处理。整形放大电路对光谱信号进行放大处理，使其达到V级别。但在放大光谱信号的同时，信号中的噪声同时会被放大，因此采用滤波电路中的低通滤波器滤去高频噪声，得到信噪比较高的光谱信号。剩余的噪声会使光谱信号的基线发生漂移，使多道脉冲幅度分析器得能量分辨率下降。通过基线恢复电路克服基线偏移现象，得到较理想的脉冲信号。
AD转换电路主要为AD器件的接口电路，包括电源、控制引脚、数据引脚和电平转换电路。其接收信号调理电路输出的脉冲信号，并对其进行AD转换，得到数字信号，供FPGA处理。其使用的AD器件的性能在很大程度上限制了多道脉冲幅度分析器的精度和处理速度，一般要求AD器件自带采样保持器，可以减小系统的硬件复杂度，采样精度至少为12位，采样频率至少为100kHZ。本实例选用的AD器件为AD1674，其自带采样保持器，采样精度为12位，采样频率为100kHZ，能够满足应用要求。AD1674由FPGA中的AD控制模块控制工作，主要使用R/C、STS、数据引脚，AD控制模块向R/C输出0或1实现AD读与转换功能切换，从STS引脚读取AD当前工作状态，从数据引脚将AD转换后的数据读到FIFO缓存区中，供主控制模块读取。AD器件的控制引脚和数据引脚的逻辑电平均为0V和+5V，而FPGA引脚的逻辑电平为0V和+3.3V，使用电平转换电路匹配不同的逻辑电平。电平转换电路使用的电平转换器件为SN74ALVC164245DL，分成1AB和2AB两个部分，彼此完全独立，有着各自的电源和逻辑控制引脚，可以分别实现+3.3V到+5V和+5V到+3.3V逻辑电平的转换。
通讯模块用于控制通讯电路和上位机通讯，接收上位机发送的控制命令，并从RAM模块读取能谱数据发送到上位机，供上位机软件进行进一步的分析和处理。
主控制模块从通讯模块接受上位机的控制命令，以控制多道脉冲幅度分析器的工作，包括控制系统采集数据和发送能谱数据。RAM模块采用双RAM结构存储能谱数据，即用两块大小完全相同的RAM存储能谱数据，分别命名为计算RAM和发送RAM。以RAM的操作地址作为道址，在RAM中存储每个道址的计数值，形成能谱数据。计算RAM与发送RAM存储相同的能谱数据，但功能不同，可避免使用单一RAM存储能谱数据时对RAM同时读写引起的冲突和错误。在本示例中12位AD对应4096个道址，每个道址使用3个字节计数，则每个RAM为12M。当系统接收到采集数据命令时，从AD控制模块的FIFO缓冲区读取数字信号，再送入滤波模块处理，然后将处理后的数字信号作为操作地址从计算RAM读取操作地址的计数值，加1后同时向计算RAM和发送RAM的操作地址存入数据。当系统接收到发送能谱数据命令时，通讯模块会从发送RAM依次读取数据，并按照指定协议发送到计算机中。
滤波模块用X(i)，i=0、1、…、8，存储连续的9个数字信号，当滤波模块获得当前数字信号时，依次将相邻两个变量中后面变量赋给前面变量，即X1赋给X0，X8赋给X7，将当前采集的数据赋给X8。然后对连续五个数据进行光滑滤波，得到五个滤波后的数据Y(j)，j=0、1、…、4，其中Y(j)=(-3*X(j)+12*X(j+1)+17*X(j+2)+ 12*X(j+3) -3*X(j+4))/35。当Y(0)<Y(1) <Y(2)，且Y(4)<Y(3)<Y(2)时，判断出X(5)为峰值，将该值传到主控制模块。滤波模块总的思想是判断当前数据采集点前4个位置处的值是否为峰值。
本发明公布的基于FPGA的多道脉冲幅度分析器需要由外接电源供电，外接电源采用开关电源将市电转换成电压直流电，在经过稳压电路转换成多道脉冲幅度分析器各部分需要的电压值。信号调理电路需要±12V电压、AD转换电路需要+5V电压，FPGA需要+3.3V电压。本发明选用的FPGA芯片为Altera公司生产的Cyclone IV E系列产品EP4CE10，其具有低价格、低功耗的优点。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：
包括信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路，所述信号调理电路、AD转换电路、FPGA和通讯电路依次连接；
所述FPGA内部设有AD控制模块、主控制模块、通讯模块、RAM模块、滤波模块，所述主控制模块分别与AD控制模块、通讯模块、RAM模块和滤波模块连接，所述RAM模块还与通讯模块连接；所述AD控制模块与AD转换电路连接，所述通讯模块与通讯电路连接；
所述信号调理电路接收能量色散型X射线荧光光谱仪的探测器输出的光谱信号，并对光谱信号进行放大、模拟滤波、整形、基线恢复处理，得到可供AD转换电路处理的脉冲信号；
所述AD转换电路接收信号调理电路输出的脉冲信号，并对其进行AD转换，得到数字信号；
所述AD控制模块控制AD转换电路，并将AD转换后的数字信号存进FIFO缓冲区中，供主控制模块读取；
所述通讯模块用于控制通讯电路和上位机通讯，接收上位机发送的控制命令，并从RAM模块读取能谱数据发送到上位机，供上位机软件进行进一步的分析和处理；
所述RAM模块采用双RAM结构存储能谱数据；
所述主控制模块用于从AD控制模块的FIFO缓冲区读取数字信号，将其发送到滤波模块进行光滑滤波处理，识别峰值，滤波模块将峰值对应的原始数据发送到主控制模块中，主控制模块根据滤波模块处理后的数字信号形成能谱数据。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述滤波模块从接收到的数字信号中获得连续n点原始数据，进行m点光滑滤波处理，对得到的n-m+1个滤波数据进行峰值识别。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述通讯电路包括RS232通讯电路、USB通讯电路。
4.如权利要求1或2所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述滤波模块从接收到的数字信号中获得连续9点原始数据，进行5点光滑滤波处理，对得到的5个滤波数据进行峰值识别。
5.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述FPGA的芯片型号为EP4CE10。
6.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块采用开关电源供电，并经过稳压电路转换成多道脉冲幅度分析器所需要的多种电压值。
7.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述AD转换电路中使用的AD器件，其自带采样保持器，转换精度为12到16位，采样频率至少为100kHZ。
8.如权利要求1所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述RAM模块以RAM的操作地址作为道址，在RAM中存储每个道址的计数值，形成能谱数据。
9.如权利要求1或8所述的一种基于FPGA的多道脉冲幅度分析器，其特征在于：所述RAM模块中的两个RAM存储相同的能谱数据，当系统接收到采集数据命令时，从AD控制模块的FIFO缓冲区读取数字信号，再送入滤波模块处理，然后将处理后的数字信号作为操作地址从其中一个RAM读取操作地址的计数值，加1后同时向两个RAM的操作地址存入数据；当系统接收到发送能谱数据命令时，通讯模块从另一个RAM依次读取数据，并按照指定协议发送到上位机中。
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