CN208384130U - 一种基于fpga/stm32的数字多道谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，包括NaI(Tl)闪烁探测器、核模拟信号调理电路、模数转换ADC、FPGA、接口控制单元STM32和上位机；FPGA包括慢成形电路通道、信号恢复提取模块、自动增益调节模块、快成形电路通道、高通滤波与脉冲整形电路模块、快成形幅度提取模块、脉冲幅度计数幅度甄别模块、总计数修正模块；其特征在于：NaI(Tl)闪烁探测器连接核模拟信号调理电路，核模拟信号调理电路连接模数转换ADC，模数转换ADC分别连接慢成形电路通道和快成形电路通道；本实用新型的优点：解决高计数率情况下脉冲漏计准确计算死时间问题，提高了计算速度，节约了计算时间。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种数字多道谱仪，特别涉及一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪。
背景技术
传统的多道谱仪计算死时间长，不同的幅度对应的变换时间不同，增加了测试结果不不确定性，探测器输出信号有可能出现峰堆积，导致原谱形畸变，造成谱线展宽和分辨率差。本设计是运用FPGA平台设计硬件寻峰处理算法，主要包括数据寻峰、多道计数、多道存储、数据通信。该一种数字化多道脉冲幅度分析器设计合理、稳定可靠。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，该一种数字多道谱仪采用探测器信号的模拟处理，包括信号滤波，极-零相消，积分成形，剔除干扰，抑制噪声，程控放大；高速、高分辨率的A/D数据采集，对成形放大后的模拟信号量化成数字信号，在高采样率，高分辨率采集系统中确保数据的正确性；弥补了现有技术中存在的缺陷，可以有效解决背景技术中的问题，适合广泛推广。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：
一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，包括NaI(Tl)闪烁探测器、核模拟信号调理电路、模数转换ADC、FPGA、接口控制单元STM32和上位机；FPGA包括慢成形电路通道、信号恢复提取模块、自动增益调节模块、快成形电路通道、高通滤波与脉冲整形电路模块、快成形幅度提取模块、脉冲幅度计数幅度甄别模块、总计数修正模块；其特征在于：NaI(Tl)闪烁探测器连接核模拟信号调理电路，核模拟信号调理电路连接模数转换ADC，模数转换ADC分别连接慢成形电路通道和快成形电路通道；所述慢成形电路通道连接信号恢复提取模块，信号恢复提取模块连接自动增益调节模块；所述快成形电路通道连接高通滤波与脉冲整形电路模块，高通滤波与脉冲整形电路模块连接快成形幅度提取模块；自动增益调节模块和快成形幅度提取模块连接脉冲幅度计数幅度甄别模块，脉冲幅度计数幅度甄别模块连接总计数修正模块。
优选的，所述接口控制单元STM32包括FLASH,SDRAM,通信控制接口，稳谱控制接口模块。
优选的，所述信号恢复提取模块具有脉冲基线恢复、幅值提取、堆积识别、脉冲间隔判别的作用。
优选的，所述模数转换ADC的高速并行输出数据采用FPGA进行处理，采用FIFO实现数字核信号的存储。
优选的，所述FPGA和MCU之间的通讯利用SPI总线来实现，MCU采用内嵌32位ARM核的微控制器，MCU即为STM32。
优选的，所述接口控制单元STM32主要作为FPGA和上位机信号通信的桥梁。
优选的，所述上位机或是便捷式电脑或平板电脑。
优选的，所述数字多道谱仪借助MATLAB软件的植入，实现核信号的滤波与成形仿真。
优选的，所述电源电路包括高压模块与低压模块高压模块能为NaI(Tl)闪烁探测器提供500～1500V可调电压电源，低压模块采用高性能DC-DC为数据采集提供±5V和±12V低压电源。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：该一种数字多道谱仪运用FPGA平台设计硬件寻峰处理算法，主要包括数据寻峰、多道计数、多道存储、数据通信。既保证滤波成形后脉冲幅度提取的精度，又解决高计数率情况下脉冲漏计准确计算死时间问题。不仅提高了计算速度，节约了计算时间，而且让存储更加稳定可靠，更方便使用者的使用，适合广泛推广。
附图说明
图1为本实用新型的总体细节示意图；
图2为本实用新型的结构示意图；
图3为本实用新型的FPGA组成示意图；
图中：1、NaI(Tl)闪烁探测器；2、核模拟信号调理电路；3、模数转换ADC；4、FPGA；5、接口控制单元STM32；6、上位机；7、慢成形电路通道；8、信号恢复提取模块；9、自动增益调节模块；10、快成形电路通道；11、高通滤波与脉冲整形电路模块；12、快成形幅度提取模块；13、脉冲幅度计数幅度甄别模块；14、总计数修正模块；15、电源电路；16、FIFO。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
如图1-3所示，一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，包括NaI(Tl)闪烁探测器1(型号为CH132)、核模拟信号调理电路2对NaI(Tl)闪烁探测器信号1的模拟处理包括信号滤波，极-零相消，积分成形，剔除干扰，抑制噪声，程控放大；模数转换ADC(3)对成形放大后的模拟信号量化成数字信号；FPGA(4)；接口控制单元STM32(5)和上位机6；FPGA(4)包括慢成形电路通道7根据信号滤波成形算法构成的成形电路逻辑，滤波时间较长，速度较慢；信号恢复提取模块8提取信号特征的逻辑电路模块；自动增益调节模块9是信号自动增益调节的逻辑电路模块；快成形电路通道10根据信号滤波成形算法构成的成形电路逻辑，滤波时间短，速度快；高通滤波与脉冲整形电路模块11是为高频信号能正常通过，而低于设定临界值的低频信号则被阻隔、减弱及脉冲整形的逻辑电路模块；快成形幅度提取模块12是脉冲幅度提取的逻辑电路模块；脉冲幅度计数幅度甄别模块13是脉冲幅度计数与甄别的逻辑电路模块；总计数修正模块14是总计数修正的逻辑电路模块；其特征在于：NaI(Tl)闪烁探测器1连接核模拟信号调理电路2，核模拟信号调理电路2连接模数转换ADC(3)，模数转换ADC(3)分别连接慢成形电路通道7和快成形电路通道10；所述慢成形电路通道7连接信号恢复提取模块8，信号恢复提取模块8连接自动增益调节模块9；所述快成形电路通道10连接高通滤波与脉冲整形电路模块11，高通滤波与脉冲整形电路模块11连接快成形幅度提取模块12；自动增益调节模块9和快成形幅度提取模块12连接脉冲幅度计数幅度甄别模块13，脉冲幅度计数幅度甄别模块13连接总计数修正模块14。
其中，所述接口控制单元STM32(5)包括包括FLASH，是交互式矢量图和Web动画的标准，是常见的动画显示软件；SDRAM，是同步动态随机存储器，对FPGA输出信号进行存储；通信控制接口，是通信控制的电路接口；稳谱控制接口模块，是稳谱控制的电路接口模块。
其中，所述信号恢复提取模块8具有脉冲基线恢复、幅值提取、堆积识别、脉冲间隔判别的作用。
其中，所述模数转换ADC(3)的高速并行输出数据采用FPGA(4)进行处理，运用FPGA平台设计硬件寻峰处理算法，稳定可靠。主要包括数据寻峰、多道计数、多道存储、数据通信。采用高速高精度ADC与高性能FPGA/STM32芯片，在FPGA中完成数字滤波成形，包括阈值甄别、快速成形、堆积判弃、梯形滤波、脉冲峰值提取；采用FIFO(16)实现数字核信号的存储。
其中，所述FPGA(4)和MCU之间的通讯利用SPI总线来实现，MCU采用内嵌32位ARM核的微控制器，MCU即为STM32。
其中，所述接口控制单元STM32(5)主要作为FPGA(4)和上位机6信号通信的桥梁。接口控制单元STM32(5)和上位机之间的数据通讯采用USB总线来实现。采用具有并行处理能力的FPGA芯片，来实现高速数据的接收和逻辑运算处理，提取脉冲的幅度值并进行多道谱数据分析，获得含有能量、时间、形状等各方面信息。
其中，所述上位机6或是便捷式电脑或平板电脑。
其中，所述数字数字多道谱仪借助MATLAB软件的植入，MATLAB是商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境；实现核信号的滤波与成形仿真，研究数字核信号处理原理和方法，采用滤波成形算法，解决基线漂移、尾堆积影响测量准确性问题
其中，所述电源电路包括高压模块与低压模块，高压模块能为NaI(Tl)闪烁探测器提供500～1500V可调电压电源，低压模块采用高性能DC-DC为数据采集提供±5V和±12V低压电源。
需要说明的是，该一种数字多道谱仪，NaI(Tl)闪烁探测器输出的核信号首先经过核模拟信号调理电路的预处理，将模拟信号放大到合适的倍数，直接输入到数模转换ADC进行离散化操作，为了处理数模转换ADC的并行输出数据，采用了具有并行处理能力的FPGA，来实现高速数据的接收和逻辑运算处理，提取脉冲的幅度值并进行多道谱数据分析，获得含有能量、时间、形状等各方面信息，采用FIFO实现数字核信号的存储，FPGA和MCU之间的通讯利用SPI总线来实现。借助MATLAB，实现核信号的滤波与成形仿真，研究数字核信号处理原理和方法，采用滤波成形算法，解决基线漂移、尾堆积影响测量准确性问题；NaI(Tl)闪烁探测器信号的模拟处理，包括信号滤波，极-零相消，积分成形，剔除干扰，抑制噪声，程控放大以及高速、高分辨率的A/D数据采集，对成形放大后的模拟信号量化成数字信号，在高采样率，高分辨率采集系统中确保数据的正确性。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，包括NaI(Tl)闪烁探测器（1）、核模拟信号调理电路（2）、模数转换ADC（3）、FPGA（4）、接口控制单元STM32（5）和上位机（6）；FPGA（4）包括慢成形电路通道（7）、信号恢复提取模块（8）、自动增益调节模块（9）、快成形电路通道（10）、高通滤波与脉冲整形电路模块（11）、快成形幅度提取模块（12）、脉冲幅度计数幅度甄别模块（13）、总计数修正模块（14）；其特征在于：NaI(Tl)闪烁探测器（1）连接核模拟信号调理电路（2），核模拟信号调理电路（2）连接模数转换ADC（3），模数转换ADC（3）分别连接慢成形电路通道（7）和快成形电路通道（10）；所述慢成形电路通道（7）连接信号恢复提取模块（8），信号恢复提取模块（8）连接自动增益调节模块（9）；所述快成形电路通道（10）连接高通滤波与脉冲整形电路模块（11），高通滤波与脉冲整形电路模块（11）连接快成形幅度提取模块（12）；自动增益调节模块（9）和快成形幅度提取模块（12）连接脉冲幅度计数幅度甄别模块（13），脉冲幅度计数幅度甄别模块（13）连接总计数修正模块（14）。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，其特征在于：所述接口控制单元STM32（5）包括FLASH,SDRAM,通信控制接口，稳谱控制接口模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，其特征在于：所述信号恢复提取模块（8）具有脉冲基线恢复、幅值提取、堆积识别、脉冲间隔判别的作用。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，其特征在于：所述模数转换ADC（3）的高速并行输出数据采用FPGA（4）进行处理，采用FIFO（16）实现数字核信号的存储。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，其特征在于：所述FPGA（4）和MCU之间的通讯利用SPI总线来实现，MCU采用内嵌32位ARM核的微控制器，MCU即为STM32。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，其特征在于：所述接口控制单元STM32（5）主要作为FPGA（4）和上位机（6）信号通信的桥梁。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA/STM32的数字多道谱仪，其特征在于：所述上位机（6）或是便捷式电脑或平板电脑。
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