CN217156815U - 中子伽马甄别能谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了中子伽马甄别能谱仪，包括：探测器，用于采集核信号；信号调理电路，用于对核信号进行调理；数据采集模块，用于对调理后的核信号进行模数转换，获得相应的数字信号；控制模块，包括FPGA和MCU，用于对数字信号进行中子伽马甄别，将甄别数据发送给MCU，MCU用于根据甄别结果确定剂量率，并绘制能谱曲线；显示模块，用于显示剂量率和能谱曲线。本实用新型利用FPGA对信息获取过程进行硬件加速，不但降低了成本，而且实现了中子伽马甄别功能，满足高计数率情况下的要求，同时采用MCU计算剂量率并绘制能谱，可以快速获得能谱及剂量率信息，脱离了PC机的运算和显示，可靠性和实时性较高，有高集成度、高便携性优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及信号处理电路技术领域，特别涉及中子伽马甄别能谱仪。
背景技术
中子伽马甄别能谱仪用于对核信号进行数字化采集、处理、甄别与能谱分析。目前，实现中子伽马甄别普遍采用CLYC(Cs2LiYCl6:Ce3+，一种无机闪烁晶体)晶体与PMT(PhotoMultiplierTube，光电倍增管)构成探测器，用高速采集卡或者示波器对核信号进行数字化采集，将信号数据上传到上位机内，对数据进行处理，采用多种甄别算法完成n/γ甄别、能谱绘制、剂量率测量功能。
目前，核信号数字化采集过程采用高速采集卡实现，成本较高。而且，核信号处理及甄别过程中采用上位机完成中子伽马甄别、能谱绘制、剂量率计算，并采用PC(PersonalComputer，个人计算机)机完成能谱、剂量率显示功能，在高速采集条件下上位机对高速数据处理速度不够，整个过程需要PC机和上位机进行配合，缺乏便携性、实时性。
实用新型内容
本实用新型实施例提供了中子伽马甄别能谱仪，用以解决现有技术中采用高速采集卡成本较高、上位机对高速数据处理速度不够，以及现有的能谱仪缺乏便携性和实时性的问题。
一方面，本实用新型实施例提供了中子伽马甄别能谱仪，包括：
探测器，用于采集核信号；
信号调理电路，与探测器的电连接，用于对核信号进行调理；
数据采集模块，与信号调理电路电连接，用于对调理后的核信号进行模数转换，获得相应的数字信号；
控制模块，包括FPGA和MCU，FPGA与数据采集模块电连接，用于对数字信号进行中子伽马甄别，将甄别数据发送给MCU，MCU用于根据甄别结果确定剂量率，并绘制能谱曲线；
显示模块，与MCU电连接，用于显示剂量率和能谱曲线。
在一种可能的实现方式中，信号调理电路包括：放大器，与探测器电连接，用于对核信号进行放大；差分转换器，与放大器电连接，用于对单端的放大后的核信号转换为差分信号。
在一种可能的实现方式中，数据采集模块包括：ADC芯片，与信号调理电路电连接，用于对调理后的核信号进行模数转换；时钟芯片，与ADC芯片电连接，用于产生时钟信号。
在一种可能的实现方式中，还包括：存储模块，用于存储剂量率和能谱曲线。
在一种可能的实现方式中，MCU采用STM32单片机。
在一种可能的实现方式中，FPGA和MCU之间通过UART接口连接。
在一种可能的实现方式中，数据采集模块和FPGA之间通过LVDS接口连接。
本实用新型中的中子伽马甄别能谱仪，具有以下优点：
1、利用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)对信息获取过程进行硬件加速，不但降低了成本，而且实现了中子伽马甄别功能，满足高计数率情况下的要求，具有实时性。
2、采用MCU(Micro Controlling Unit，微控制器)计算剂量率并绘制能谱，可以快速获得能谱及剂量率信息，脱离了PC机的运算和显示，可靠性和实时性较高，有高集成度、高便携性优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的中子伽马甄别能谱仪的组成示意图；
图2为本实用新型实施例提供的信号调理电路的示意图；
图3为本实用新型实施例提供的ADC芯片与FPGA的连接电路示意图；
图4为本实用新型实施例提供的FPGA与MCU的连接电路示意图；
图5为本实用新型实施例提供的FPGA内部的逻辑框图；
图6为本实用新型实施例提供的MCU的外设连接图；
图7为本实用新型实施例提供的MCU的功能框图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1-7为本实用新型实施例提供的中子伽马甄别能谱仪组成示意图。本实用新型实施例提供了中子伽马甄别能谱仪，包括：
探测器，用于采集核信号；
信号调理电路，与探测器的电连接，用于对核信号进行调理；
数据采集模块，与信号调理电路电连接，用于对调理后的核信号进行模数转换，获得相应的数字信号；
控制模块，包括FPGA和MCU，FPGA与数据采集模块电连接，用于对数字信号进行中子伽马甄别，将甄别数据发送给MCU，MCU用于根据甄别结果确定剂量率，并绘制能谱曲线；
显示模块，与MCU电连接，用于显示剂量率和能谱曲线。
示例性地，探测器选用MacroPixel nEL-14x25c-SiPM-T单探头探测器，FPGA选用的是Xilinx公司Artix7系列的XC7A35T-FGG484，MCU选用STM32单片机，该单片机具体选用的是ST公司的STM32F407ZET6。将探测器产生的模拟信号经过信号调理电路后实现放大等调理后，在数据采集模块中进行模数转换，数据缓存在FPGA中，由FPGA进行n/γ(中子伽马)甄别后，获得相应的甄别数据，将甄别数据发送给MCU，最后在MCU中计算中子剂量率、伽马剂量率，并绘制能谱曲线。这些剂量率和能谱曲线最终有LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)形式的显示单元进行显示。
在一种可能的实施例中，信号调理电路包括：放大器，与探测器电连接，用于对核信号进行放大；差分转换器，与放大器电连接，用于对单端的放大后的核信号转换为差分信号。
示例性地，信号调理电路的实现原理是对采集的核信号进行放大和滤波后转换成数据采集模块输入电压范围内的信号。探测器输出的正电压信号从SMA接口接入到放大器AD8014，将放大器调整到需要的放大倍数后即可对核信号进行放大，再通过差分转换器AD8138将单端信号转为数据采集模块的差分输入信号。同时通过比较器ADCMP394设置阈值，对低压噪声信号进行过滤，产生触发信号输入到控制模块中的FPGA，FPGA根据该触发信号控制数据采集模块工作。
在一种可能的实施例中，数据采集模块包括：ADC(Analog Digital Converter，模数转换器)芯片，与信号调理电路电连接，用于对调理后的核信号进行模数转换；时钟芯片，与ADC芯片电连接，用于产生时钟信号。
示例性地，ADC芯片采用12位高精度模数转换芯片AD9613，时钟芯片则利用PLL(Phase Locked Loop，锁相环)产生250MHZ时钟，可以实现高达250MHz的采样频率。图3为ADC芯片和FPGA的连接方式图，包含数据线、数据时钟线和控制线。其中OR+和OR-为一组ADC芯片超出测量量程信号，ADC芯片提供用于在外部寄存器中捕获数据的数据时钟输出(DCO)，ADC芯片的PDWN为断电输入高电平有效，操作取决于SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)模式，此输入可配置为断电或待机。OEB为ADC芯片的低电平有效的使能信号。CSB、SDIO、SCLK分别为SPI的片选信号、串行数据输入输出、串行时钟。SYNC为ADC芯片的数字同步引脚。ADC芯片和FPGA间信号数据传输采用LVDS(Low-VoltageDifferential Signaling，低电压差分信号)方式，低位ADC_D0、ADC_D0-到高位ADC_D11+、ADC_D11-共12位采样数据。
另外，采用三线SPI兼容的串行接口完成设置和控制编程，输出接口模式可选择为交叉端口或信道多路复用端口，本实用新型选择交叉端口模式，操作简便快捷。
在一种可能的实施例中，还包括：存储模块，用于存储剂量率和能谱曲线。
示例性地，该存储模块可以采用Flash(闪存)芯片。
在每个采样周期中FPGA读取ADC芯片转换后的数据，采用电荷比较法进行中子伽马甄别，对获取的核信号进行积分，并按顺序写入内部的FIFO(First In First Out，先进先出)存储器进行缓存。然后数据以5Mb/s速度通过串行数据传输方式发送给MCU。最后，将显示模块显示的中子伽马剂量率和能谱曲线存入存储模块内。FPGA和MCU数据交互采用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)串口进行通信，其连接方式如图4所示。
FPGA作为整个系统的控制核心，实现对高速ADC芯片的逻辑控制和对数字信号的处理、存储、传输。FPGA利用异步FIFO存储器缓存并处理数据，并通过UART串口将数据送给MCU，FPGA内部逻辑框图如图5所示。由图5可知：FPGA内部逻辑主要由ADC_9613模块、split_count模块和UART_send模块来实现。
ADC_9613模块内包含了ADC芯片接口、锁相环、select IO三部分硬件结构。通过芯片接口实现数据接收和配置ADC等功能。ADC芯片输出数据进入select IO的一对差分数据输入口转换为单端数据，并设置tap setting改变时钟延迟，使输出数据匹配输出时钟，提高系统稳定性能。FPGA的系统时钟为100MHz，通过PLL倍频得到select IO的250MHz参考时钟。
split_count模块是实现中子伽马信号甄别的关键，主要采用电荷比较法对中子伽马信号进行甄别。电荷比较法是常用的n/γ脉冲形状甄别方法，从信号脉冲上升沿起始时刻开始，对不同时间区间内脉冲进行积分，得到Q1和Q2值，然后通过特殊设定的参数值进行做商。通过比值关系对核信号进行射线种类甄别。具体实现是对select IO数据输出data_temp取不同积分时间窗积分，得到Q1和Q2并存入FIFO存储器。UART_send模块负责将FIFO存储器内的数据以串行方式发给MCU来进行下一步处理。
UART是一种串行、异步、全双工的通信协议，在嵌入式领域中得到广泛应用。FIFO存储器写时钟频率为250MHz，读时钟频率为100MHz，FIFO存储器输出q_dout通过寄存器改为8位数据后发送至UART_send模块。
MCU主要实现中子伽马信号的剂量率计算和能谱曲线绘制，图7为MCU的功能框图。其外围电路结构框图如图6所示，与MCU连接的器件有FPGA、存储模块(Flash)、复位按键Rst、工作按键Key。
MCU采用串口中断将串口收到的每帧数据进行处理和保存，首先进行信号判别，利用标定好的参数对接收到的数据进行计算，并将得到中子伽马信号的剂量率分别存储在Buffer2和Buffer3中，同时将伽马电压信号的积分值保存在Buffer1中。然后，根据Buffer1中伽马信号的积分值大小分配至对应能量区间。最后，开启定时器结合多道信号个数绘制能谱曲线。此外，将Buffer2和Buffer3内存储的伽马信号和中子信号的剂量率显示在显示模块上，将显示的能谱坐标、伽马剂量率进行保存。
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，包括：
探测器，用于采集核信号；
信号调理电路，与所述探测器的电连接，用于对所述核信号进行调理；
数据采集模块，与所述信号调理电路电连接，用于对调理后的核信号进行模数转换，获得相应的数字信号；
控制模块，包括FPGA和MCU，所述FPGA与所述数据采集模块电连接，用于对所述数字信号进行中子伽马甄别，将甄别数据发送给所述MCU，所述MCU用于根据所述甄别结果确定剂量率，并绘制能谱曲线；
显示模块，与所述MCU电连接，用于显示所述剂量率和能谱曲线。
2.根据权利要求1所述的中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，所述信号调理电路包括：
放大器，与所述探测器电连接，用于对所述核信号进行放大；
差分转换器，与所述放大器电连接，用于对单端的放大后的核信号转换为差分信号。
3.根据权利要求1所述的中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，所述数据采集模块包括：
ADC芯片，与所述信号调理电路电连接，用于对调理后的核信号进行模数转换；
时钟芯片，与所述ADC芯片电连接，用于产生时钟信号。
4.根据权利要求1所述的中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，还包括：
存储模块，用于存储所述剂量率和能谱曲线。
5.根据权利要求1所述的中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，所述MCU采用STM32单片机。
6.根据权利要求1所述的中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，所述FPGA和MCU之间通过UART接口连接。
7.根据权利要求1所述的中子伽马甄别能谱仪，其特征在于，所述数据采集模块和FPGA之间通过LVDS接口连接。
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