CN108664425A - 一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统，为电子技术领域，包括前端信号调理模块，前端信号调理模块包括甄别电路以及差分调理电路；包括TDC芯片与ADC芯片分别接收甄别电路以及差分调理电路处理后的信号的数据采集模块；分别连接TDC芯片与ADC芯片的FPGA时序控制单元，FPGA时序控制单元读取TDC芯片与ADC芯片的数据，并与DDR3 SDRAM存储器和PCIE总线相连，通过PCIE总线与计算机相连接；用于当离子进入飞行时间质量分析器时，向甄别电路输入触发信号，并将触发信号输入至FPGA时序控制单元的脉冲发生器，FPGA时序控制单元接收到触发信号后，产生控制时序使ADC芯片和TDC芯片同时进行采集，该系统能够同时得到ADC和TDC采集的数据，利用ADC采集和TDC采集的优势。
Description
技术领域
本发明为一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统，特别适用于飞行时间质谱仪的数据采集，设备及装置属于电子技术领域。
背景技术
飞行时间质谱(Time of FlightMass Spectrometer,TOF-MS)具有分析速度快和分辨率高等优点，被广泛用于地质学、材料化学和环境科学等领域。数据采集系统用于采集仪器输出的离子信号，性能的好坏会直接影响仪器的分辨率和精度等重要参数，是TOF-MS的关键部件之一。
用于飞行时间质谱仪的数据采集系统主要有两种：ADC(Analog-to-DigitalConversion,ADC)数据采集系统和TDC(Time-to-Digital Conversion,TDC)数据采集系统。ADC采集系统可通过记录信号的能量、脉冲宽度和波形形状等信息来实现对离子信号的还原；TDC采集系统可以将信号的时间信息用数字的方式表示，由于不同种类的离子在飞行时间质量分析器中到达离子检测器的时间不同，所以TDC可以通过记录离子的飞行时间，来完成离子的区分。
TDC系统采集数据时，产生的数据量小且时间测量精度较高，但是TDC由于死区时间限制，当多个离子信号到达检测器时，TDC只能记录一个离子信号，而且TDC的输出只有“0”和“1”两种形式，无法记录信号的幅度和形状，当采集幅值较强的信号时，TDC也将其记录为数字“1”，会对仪器的定量分析造成一定影响。
ADC采集系统可以直接记录信号的幅度等信息，ADC采样率越高，对离子的还原程度越好，而且ADC可以测量同时到达检测器的多个离子，可以有效提高仪器的精度。但是具有高分辨能力的TOF-MS仪器需要ADC器件的采样率至少为1Gsps以上，由于高速电路设计复杂，而且容易收到噪声干扰，当采集幅值较弱的离子信号时，信噪比会相应的降低，影响ADC的有效位数等参数。
TOF-MS仪器在使用时，每次产生的信号即包括主量元素也含有微量元素，主量元素的信号幅值较强，而微量元素的信号较弱。当使用TDC时，则会对主量元素的采集造成一定影响，而使用ADC则会对微量元素记录不完全。所以在采集时，若同时使用两种采集技术对离子信号进行采集，则会一次性将主量元素和微量元素全部记录，更有利于质谱分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统，解决TOF-MS仪器只使用ADC技术或者TDC技术采集离子信号的缺点和不足。
本发明是这样实现的，一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统，用于当离子进入飞行时间质量分析器时，通过离子检测器检测到信号后进行数据的采集，该系统包括：前端信号调理模块、数据采集模块、脉冲发生器、FPGA时序控制单元、DDR3SDRAM数据存储器以及PCIE总线；
所述前端信号调理模块包括甄别电路以及差分调理电路，离子检测器检测到的信号同时进入甄别电路以及差分调理电路；
所述数据采集模块包括TDC芯片与ADC芯片分别接收甄别电路以及差分调理电路处理后的信号；
所述FPGA时序控制单元的两个输入端分别连接TDC芯片与ADC芯片，读取TDC芯片与ADC芯片的数据，并与DDR3 SDRAM存储器和PCIE总线相连，通过所述PCIE总线与计算机相连接；
所述脉冲发生器用于当离子进入飞行时间质量分析器时，向甄别电路输入触发信号，并将触发信号输入至FPGA时序控制单元，FPGA时序控制单元接收到触发信号后，产生控制时序使ADC芯片和TDC芯片同时进行采集。
进一步地，所述ADC芯片和所述TDC芯片输出的数据由FPGA时序控制单元接收，FPGA时序控制单元内部的数据缓存模块将TDC芯片的数据进行缓存处理，ADC芯片输出数据被FPGA时序控制单元接收后首先经过FPGA时序控制单元内部缓存然后存储至DDR3 SDRAM存储器中。
进一步地，计算机通过PCIE总线读数据时，DDR3 SDRAM存储器中的数据首先被读出并通过PCIE总线上传至计算机，当DDR3 SDRAM存储器中的数据全部读出后，再将TDC芯片的数据读出，通过数据总线存入计算机内存中。
进一步地，所述脉冲发生器向甄别电路输入触发信号时，甄别电路将触发信号进行电平转换并向TDC芯片输出一个start信号，TDC芯片的内部计数器开始计数，随后离子信号由检测器输出，并到达甄别电路，甄别电路被离子信号上升沿触发后，向TDC芯片输出一个stop信号，TDC芯片通过计算start信号与stop信号的时间间隔得出离子的飞行时间，并将计算的结果输出至FPGA时序控制单元进行存储。
进一步地，所述差分调理电路接收离子信号后，进行差分放大，由ADC芯片对调理后的信号进行高速数据采集，采集后的数据由FPGA时序控制单元接收。
进一步地，所述FPGA时序控制单元包括ADC时序控制模块、TDC时序控制模块、数据缓存模块、FIFO模块、DDR3 SDRAM控制器和PCIE总线控制模块，
所述A DC时序控制模块通过读写ADC芯片内部寄存器来配置ADC芯片的工作模式；
所述TDC时序控制模块对TDC芯片进行读/写使能、输出使能和Start与Stop通道的开启与关闭，通过访问TDC芯片中的目标寄存器，来读取TDC芯片的时间测量数据；
所述数据缓存模块存储TDC芯片输出的时间测量数据；
所述FIFO模块用来缓存ADC芯片输出的高速数据，ADC芯片采集的数据首先经过FIFO模块缓存然后再存储至DDR3 SDRAM存储器中，待计算机发起数据读出命令时，DDR3SDRAM存储器中的数据经过FIFO模块传输至PCIE总线。
所述DDR3 SDRAM控制器用于控制DDR3 SDRAM存储器的读写操作，
所述PCIE总线控制模块用于控制负责接收和发送DDR3 SDRAM存储器的数据以及解析计算机发出的指令信息。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：该系统能够同时得到ADC和TDC采集的数据，可以充分利用ADC采集和TDC采集的优势，完整的分析样品中主量元素和微量元素的含量。此外，本系统还可以单独使用ADC或者TDC进行数据采集，可用于其他采集领域。
附图说明
图1为本发明实施例的结构框图；
图2为本发明实施例提供的FPGA时序控制单元框图；
图3为本发明实施例提供的TDC芯片信号采集过程图；
图4为本发明实施例提供的ADC芯片信号采集过程图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统，用于当离子进入飞行时间质量分析器时，通过离子检测器检测到信号后进行数据的采集，该系统包括：前端信号调理模块、数据采集模块、脉冲发生器、FPGA时序控制单元、DDR3 SDRAM数据存储器以及PCIE总线；
前端信号调理模块由两部分构成，一部分是甄别电路，另一部分是差分调理电路，数据采集模块包括TDC芯片(高速模数转换器)与ADC芯片(专用时间间隔测量芯片)，甄别电路与数据采集模块的TDC芯片相连接，差分调理电路与数据采集模块的ADC芯片相连接。
当离子进入飞行时间质量分析器时，离子检测器将检测到的信号同时进入甄别电路以及差分调理电路；经由甄别电路以及差分调理电路后分别进入到TDC芯片与ADC芯片中。
FPGA时序控制单元的两个输入端分别连接TDC芯片与ADC芯片，读取TDC芯片与ADC芯片的数据，并与DDR3 SDRAM存储器和PCIE总线相连，通过PCIE总线与计算机相连接；DDR3SDRAM存储器的作用是存储ADC芯片采集的数据，PCIE总线负责将系统采集的数据高速传输至计算机端。
脉冲发生器用于当离子进入飞行时间质量分析器时，向甄别电路输入触发信号，并将触发信号输入至FPGA时序控制单元，FPGA时序控制单元接收到触发信号后，产生控制时序使ADC芯片和TDC芯片同时进行采集。
参见图2，FPGA时序控制单元包括ADC时序控制模块、TDC时序控制模块、数据缓存模块、FIFO模块、DDR3 SDRAM控制器和PCIE总线控制模块。
ADC时序控制模块通过读写ADC芯片内部寄存器来配置ADC芯片的工作模式，包括双边沿采样模式、非复用模式、复用模式和双倍数据速率模式等。
TDC时序控制模块可对TDC芯片进行读/写使能、输出使能和Start与Stop通道的开启与关闭等操作，通过访问TDC芯片中的目标寄存器，来读取TDC芯片的时间测量数据。
数据缓存模块主要存储TDC芯片输出的时间测量数据，该模块由FPGA时序控制单元内部RAM资源构成。
FIFO模块用来缓存ADC芯片输出的高速数据，ADC芯片采集的数据首先经过FIFO模块缓存然后再存储至DDR3 SDRAM中，待计算机发起数据读出命令时，DDR3 SDRAM中的数据经过FIFO模块传输至PCIE总线。
DDR3 SDRAM控制器负责控制DDR3 SDRAM的读写操作，PCIE总线控制模块控制负责接收和发送DDR3 SDRAM的数据以及解析计算机发出的指令信息。
TDC芯片数据采集过程如图3所示，当离子进入飞行时间质量分析器时，脉冲发生器会向甄别电路输入一个触发信号，甄别电路将触发信号进行电平转换并向TDC芯片输出一个start信号，此时TDC芯片的内部计数器开始计数，随后离子信号由检测器输出，并到达甄别电路，甄别电路被离子信号上升沿触发后，向TDC芯片输出一个stop信号，TDC芯片通过计算start信号与stop信号的时间间隔得出离子的飞行时间，并将计算的结果输出至FPGA时序控制模块内部的数据缓存模块(RAM)中，然后继续等待下一次触发信号的到来，每次测得的结果都依次存入FPGA时序控制模块内部的数据缓存模块中，最后当FPGA时序控制模块发起读取命令后，数据被读出并送入计算机中。
ADC采集过程如图4所示，离子信号进入差分调理电路后，首先进行差分放大，然后由ADC芯片对调理后的信号进行高速数据采集，采集后的数据由FPGA接收，并存储至DDR3SDRAM中，然后FPGA时序控制模块内部的DDR3SDRAM控制器发起读取命令将DDR3的数据读出并通过数据总线传输至计算机端。
采集系统的工作过程如下：离子信号由离子检测器输出，经过前置放大器进行放大，然后信号被分为两路并输入至前端信号调理模块，一路信号通过差分调理电路输出至高速ADC芯片，另一路信号通过甄别电路输出至TDC芯片。每次采集时，脉冲发生器都会将触发信号输入至FPGA时序控制单元，FPGA接收到触发信号后，会产生控制时序使ADC芯片和TDC芯片同时进行采集。
ADC芯片和TDC芯片输出的数据由FPGA时序控制单元接收，FPGA时序控制单元内部的数据缓存模块将TDC芯片的数据进行缓存处理，ADC芯片输出数据被FPGA时序控制单元接收后首先经过FIFO模块缓存然后存储至DDR3 SDRAM存储器中。
当计算机端发起采集命令后，DDR3 SDRAM存储器中的数据首先被读出并通过PCIE总线上传至计算机端，当DDR3 SDRAM存储器中的数据全部读出后，再将TDC芯片的数据读出，通过数据总线存入计算机内存中。
数据上传完毕后，在计算机端由数据处理软件将数据整理显示，最终得到ADC芯片与TDC芯片采集的离子信号的谱图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于高速模数转换和时间数字转换技术的数据采集系统，用于当离子进入飞行时间质量分析器时，通过离子检测器检测到信号后进行数据的采集，其特征在于，该系统包括：前端信号调理模块、数据采集模块、脉冲发生器、FPGA时序控制单元、DDR3 SDRAM数据存储器以及PCIE总线；
所述前端信号调理模块包括甄别电路以及差分调理电路，离子检测器检测到的信号同时进入甄别电路以及差分调理电路；
所述数据采集模块包括TDC芯片与ADC芯片分别接收甄别电路以及差分调理电路处理后的信号；
所述FPGA时序控制单元的两个输入端分别连接TDC芯片与ADC芯片，读取TDC芯片与ADC芯片的数据，并与DDR3 SDRAM存储器和PCIE总线相连，通过所述PCIE总线与计算机相连接；
所述脉冲发生器用于当离子进入飞行时间质量分析器时，向甄别电路输入触发信号，并将触发信号输入至FPGA时序控制单元，FPGA时序控制单元接收到触发信号后，产生控制时序使ADC芯片和TDC芯片同时进行采集。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ADC芯片和所述TDC芯片输出的数据由FPGA时序控制单元接收，FPGA时序控制单元内部的数据缓存模块将TDC芯片的数据进行缓存处理，ADC芯片输出数据被FPGA时序控制单元接收后首先经过FPGA时序控制单元内部缓存然后存储至DDR3 SDRAM存储器中。
3.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，计算机通过PCIE总线读数据时，DDR3SDRAM存储器中的数据首先被读出并通过PCIE总线上传至计算机，当DDR3 SDRAM存储器中的数据全部读出后，再将TDC芯片的数据读出，通过数据总线存入计算机内存中。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲发生器向甄别电路输入触发信号时，甄别电路将触发信号进行电平转换并向TDC芯片输出一个start信号，TDC芯片的内部计数器开始计数，随后离子信号由检测器输出，并到达甄别电路，甄别电路被离子信号上升沿触发后，向TDC芯片输出一个stop信号，TDC芯片通过计算start信号与stop信号的时间间隔得出离子的飞行时间，并将计算的结果输出至FPGA时序控制单元进行存储。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述差分调理电路接收离子信号后，进行差分放大，由ADC芯片对调理后的信号进行高速数据采集，采集后的数据由FPGA时序控制单元接收。
6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述FPGA时序控制单元包括ADC时序控制模块、TDC时序控制模块、数据缓存模块、FIFO模块、DDR3 SDRAM控制器和PCIE总线控制模块，
所述A DC时序控制模块通过读写ADC芯片内部寄存器来配置ADC芯片的工作模式；
所述TDC时序控制模块对TDC芯片进行读/写使能、输出使能和Start与Stop通道的开启与关闭，通过访问TDC芯片中的目标寄存器，来读取TDC芯片的时间测量数据；
所述数据缓存模块存储TDC芯片输出的时间测量数据；
所述FIFO模块用来缓存ADC芯片输出的高速数据，ADC芯片采集的数据首先经过FIFO模块缓存然后再存储至DDR3 SDRAM存储器中，待计算机发起数据读出命令时，DDR3 SDRAM存储器中的数据经过FIFO模块传输至PCIE总线。
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