CN108614288A - 一种基于FPGA的γ能谱测量系统 - Google Patents

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郑楠
徐立松
李佩玥
隋永新
杨怀江
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的γ能谱测量系统。所述基于FPGA的γ能谱测量系统包括γ射线探头、调理电路、ADC、FPGA、处理器、显示装置和上位机；所述γ射线探头将探测到的核辐射强度转化为不同幅度的电压脉冲信号，并输入至所述调理电路；所述调理电路将所述不同幅度的电压脉冲信号调节至所述ADC的输入范围内并输出至所述ADC；所述ADC将模拟信号转化为数字信号输出到FPGA；所述FPGA和处理器連接；所述处理器将所述脉冲波形数据和道址数据分别发送到显示装置和上位机。本发明提供的基于FPGA的γ能谱测量系统能简化电路结构。

Description

一种基于FPGA的γ能谱测量系统
技术领域
本发明涉及核物理中微弱信号测量领域，具体涉及一种基于FPGA的γ能谱测量系统。
背景技术
核物质资源的勘探、开采及相关核物理实验中，核能谱测量技术是获取核信息的重要方法之一，多道脉冲幅度分析的γ能谱测量系统是核能谱测量的核心部分。传统的模拟多道脉冲幅度分析的γ能谱测量系统是基于模拟电子技术，主要由模拟电子元器件组成滤波电路、基线消除电路、零极调整电路、峰值提取电路、A/D转换电路等，存在电路复杂、调试困难、抗干扰能力弱、处理速度慢、成本高等缺点。
随着ARM、DSP和FPGA等数字电子器件的发展，数字化多道脉冲幅度分析的γ能谱测量系统逐渐成为γ能谱测量系统的发展方向。FPGA能够灵活定义和重构电路逻辑能力、集成度高、抗干扰能力强、处理速度快、价格低廉。因此，有必要提出一种基于FPGA的γ能谱测量系统。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：本发明提供了一种基于FPGA的γ能谱测量系统。所述基于FPGA的γ能谱测量系统包括γ射线探头、调理电路、ADC、FPGA、处理器、显示装置和上位机；所述γ射线探头将探测到的核辐射强度转化为不同幅度的电压脉冲信号，并输入至所述调理电路；所述调理电路将所述不同幅度的电压脉冲信号调节至所述ADC的输入范围内并输出至所述ADC；所述ADC将模拟信号转化为数字信号输出到FPGA；所述FPGA进行数字信号处理将整形后的脉冲波形数据和道址数据发送至处理器；所述处理器将所述脉冲波形数据和道址数据分别发送到显示装置和上位机。
在一些实施例中，所述显示装置为LCD。
在一些实施例中，所述处理器为双核处理器。
在一些实施例中，所述所述FPGA包括：低通滤波器、零极调整、基线消除、梯形整形、幅度提取、第一RAM和第二RAM；所述低通滤波器的输入端连接ADC的输出端；所述低通滤波器的输出端连接零极调整的输入端；所述零极调整的输出端连接基线消除的输入端；所述基线消除的输出端连接梯形整形的输入端；所述梯形整形的输出端同时连接幅度提取的输出端和第二RAM的输入端；所述幅度提取的输出端连接第一RAM的输入端；所述第一RAM和第二RAM的输出端连接处理器的输入端。
在一些实施例中，所述第一RAM和第二RAM均为双口RAM。
在一些实施例中，所述调理电路是相位、增益可调的放大电路。
在一些实施例中，所述FPGA通过异步总线与所述处理器进行连接。在一些实施例中，所述处理器可通过所述异步总线对所述FPGA内部寄存器写入配置信息。
在一些实施例中，所述配置信息包括：所述低通滤波器的截止频率参数、阶数参数，所述零极调整的脉宽参数，以及所述梯形整形的平顶和平底参数。
在一些实施例中，所述ADC采用芯片AD9650，所述FPGA采用芯片XC5VLX50T，所述处理器采用芯片OMAPL138。
本发明提供的基于FPGA的γ能谱测量系统能简化电路结构，节约成本。同时，因为采用数字电路设计，处理速度快，抗干扰能力强。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的基于FPGA的γ能谱测量系统的结构示意图；
图2为根据本发明一种基于FPGA的γ能谱测量系统中FPGA的内部结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1所示，是本发明提供的一种基于FPGA的γ能谱测量系统100。所述基于FPGA的γ能谱测量系统100包括:γ射线探头1、调理电路2、ADC3(ADC，Analog-to-DigitalConverter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器)、FPGA4(FPGA，Field－ProgrammableGate Array，即现场可编程门阵列)、处理器5、显示装置6和上位机7；所述γ射线探头1将探测到的核辐射强度转化为不同幅度的电压脉冲信号，并输入至所述调理电路2；所述调理电路2将所述不同幅度的电压脉冲信号调节至所述ADC3的输入范围内并输出至所述ADC3；所述ADC3将模拟信号转化为数字信号输出到FPGA4；所述FPGA4进行数字信号处理将整形后的脉冲波形数据和道址数据发送至处理器5；所述处理器5将所述脉冲波形数据和道址数据分别发送到显示装置6和上位机7。
在一些实施例中，所述显示装置6为LCD。
在一些实施例中，所述处理器5为双核处理器。
所述ADC 3采用高速数据采集芯片AD9650，所述调理电路2是相位、增益可调的放大电路，所述FPGA 4采用芯片XC5VLX50T，所述处理器5采用芯片OMAPL138，包括一个ARM核和一个DSP核。
所述γ射线探头1的输出端与调理电路2的输入端连接，调理电路2的输出端与ADC3的输入端连接，ADC 3的输出端与FPGA 4的输入端连接，FPGA 4的双向口与双核处理器5的双向口连接，处理器5的两个输出口分别与显示装置6的输出端和上位机7的输入端连接。
所述γ能谱测量系统100工作原理是γ射线探头1把探测到的核辐射强度转化为不同幅度的电压脉冲信号，电压脉冲信号经过调理电路2把幅度调节到ADC 3的输入范围内，ADC 3把模拟信号转化为数字信号输出到FPGA 4，FPGA 4内部进行数字信号处理把整形后的脉冲波形数据和道址数据通过异步总线发送到处理器5，处理器5的ARM核把脉冲波形数据和道址数据发送到显示装置6进行显示，处理器5的DSP核把脉冲波形数据和道址数据进行暂时统计和存储并发送到上位机7，上位机7把脉冲波形数据和道址数据进行长期统计和存储以便后续查看和分析。同时，处理器5可以通过异步总线对FPGA 4内部寄存器写入配置信息。
如图2所示的实施例中，所述所述FPGA4包括：低通滤波器8、零极调整9、基线消除10、梯形整形11、幅度提取12、第一RAM13(RAM，random access memory，又称作“随机存储器”)和第二RAM14；所述低通滤波器8的输入端连接ADC3的输出端；所述低通滤波器8的输出端连接零极调整9的输入端；所述零极调整9的输出端连接基线消除10的输入端；所述基线消除10的输出端连接梯形整形11的输入端；所述梯形整形11的输出端同时连接幅度提取12的输出端和第二RAM14的输入端；所述幅度提取12的输出端连接第一RAM13的输入端；所述第一RAM13和第二RAM14的输出端连接处理器5的输入端。
在一些实施例中，所述第一RAM13和第二RAM14均为双口RAM。
在一些实施例中，所述调理电路2是相位、增益可调的放大电路。
在一些实施例中，所述FPGA4通过异步总线与所述处理器5进行连接。在一些实施例中，所述处理器5可通过所述异步总线对所述FPGA4内部寄存器写入配置信息。
在一些实施例中，所述配置信息包括：所述低通滤波器8的截止频率参数、阶数参数，所述零极调整9的脉宽参数，以及所述梯形整形11的平顶和平底参数。
在一些实施例中，所述ADC3采用芯片AD9650，所述FPGA4采用芯片XC5VLX50T，所述处理器5采用芯片OMAPL138。
所述低通滤波器8的输入端连接ADC 3的输出端，低通滤波器8的输出端连接零极调整9的输入，零极调整9的输出端连接基线消除10的输入，基线消除10的输出端连接梯形整形11的输入，梯形整形11的输出端同时连接幅度提取12的输出端和第二RAM 14的输入，幅度提取12的输出端连接第一RAM 13的输入，第一RAM 13和第二RAM 14的输出端连接处理器5的输入端。
所述FPGA4的工作原理是低通滤波器8把采集到的脉冲数据进行滤波，去除掉高频噪声后发送到零极调整9，零极调整9根据原始数据调整脉冲宽度后把数据发送到基线消除10，基线消除10通过脉冲上升沿之前的数据计算出基线值，并在原数据基础上减去基线值后发送到梯形整形11，梯形整形11把原始指数脉冲数据通过梯形整形算法转化为幅度相同的梯形脉冲数据，并发送到幅度提取12和第二RAM 14，幅值提取12通过计算梯形平顶平均值得到脉冲幅度值发送到第一RAM 13，处理器5通过异步总线从第一RAM 13和第二RAM 14分别读取道址数据和脉冲波形数据。
本发明运行时的步骤为：
步骤一：处理器5通过异步总线对FPGA4内部寄存器写入配置信息，主要包括低通滤波器8的截止频率参数、阶数参数，零极调整9的脉宽参数，梯形整形11的平顶和平底参数。
步骤二：根据不同的γ射线探头1，调整调理电路2的相位和增益参数，一种γ射线探头1对于固定的一组相位和增益参数。
步骤三：γ射线探头1把探测到的核辐射强度转化为不同幅度的电压脉冲信号，经过调理电路2把幅度调节到ADC 3的输入范围内，ADC 3把模拟信号转化为数字信号输出到FPGA 4。
步骤四：FPGA 4内部经过低通滤波器8、零极调整9、基线消除10、梯形整形11和幅度提取12五个数字信号处理模块后分别把道址数据和脉冲波形数据存入第一RAM 13和第二RAM 14中。
步骤五：处理器5通过异步总线读取到道址数据和脉冲波形数据，在LCD 6上进行实时显示，并上传到上位机7中进行数据存储。
本发明提供的基于FPGA的γ能谱测量系统通过FPGA芯片完成实现滤波、基线消除、零极调整、峰值提取等电路功能，简化了电路结构，节约了成本。同时，采用数字电路设计，处理速度快，抗干扰能力强。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，包括γ射线探头、调理电路、ADC、FPGA、处理器、显示装置和上位机；
所述γ射线探头将探测到的核辐射强度转化为不同幅度的电压脉冲信号，并输入至所述调理电路；
所述调理电路将所述不同幅度的电压脉冲信号调节至所述ADC的输入范围内并输出至所述ADC；
所述ADC将模拟信号转化为数字信号输出到FPGA；
所述FPGA进行数字信号处理将整形后的脉冲波形数据和道址数据发送至处理器；
所述处理器将所述脉冲波形数据和道址数据分别发送到显示装置和上位机。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述显示装置为LCD。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述处理器为双核处理器。
4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述所述FPGA包括：低通滤波器、零极调整、基线消除、梯形整形、幅度提取、第一RAM和第二RAM；
所述低通滤波器的输入端连接ADC的输出端；
所述低通滤波器的输出端连接零极调整的输入端；
所述零极调整的输出端连接基线消除的输入端；
所述基线消除的输出端连接梯形整形的输入端；
所述梯形整形的输出端同时连接幅度提取的输出端和第二RAM的输入端；
所述幅度提取的输出端连接第一RAM的输入端；
所述第一RAM和第二RAM的输出端连接处理器的输入端。
5.如权利要求4所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述第一RAM和第二RAM均为双口RAM。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述调理电路是相位、增益可调的放大电路。
7.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述FPGA通过异步总线与所述处理器进行连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述处理器可通过所述异步总线对所述FPGA内部寄存器写入配置信息。
9.根据权利要求7所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述配置信息包括：所述低通滤波器的截止频率参数、阶数参数，所述零极调整的脉宽参数，以及所述梯形整形的平顶和平底参数。
10.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的γ能谱测量系统，其特征在于，所述ADC采用芯片AD9650，所述FPGA采用芯片XC5VLX50T，所述处理器采用芯片OMAPL138。
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