基于FPGA的多道脉冲幅度分析仪

摘要

现如今全球气候变暖、海平面上升，各种地质灾害频发，特别是核泄漏事故，严重威胁到了人类的生存。核信息的获取与处理在许多基础科学研究和应用科学研究中都有重要的意义。 放射性物质的能谱具有一定的规律性，可以通过对放射性物质的辐射进行测量从而对放射性物质的性质有一定的了解。核探测器在地球科学、核能利用、航天、医学、生物、化学、环境科学中广泛使用[1]。已经成为核能领域的关键的科学检测仪器，在很多领域里，特别是放射性物质检测领域中起到了至关重要的作用，而且对我国经济社会发展具有十分重要的意义。它正在朝着数字化、智能化的方向发展。 本文设计的双路多道核放射性检测系统，以14位型号为AD9643BCPZ-170的芯片作为模数转换(ADC)的模块，以美国Xilinx公司出品的Spartan-6FPGA系列中型号为XC6SLX45的FPGA作为脉冲计数存储和控制模块，以意法半导体公司出品的基于Cortex?-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器搭建控制和网络接口模块。系统包括前级衰减电路、峰值检测和保持电路、单端信号转差分信号电路、ADC模数转换电路、FPGA计数和存储电路、控制电路、ARM网络接口电路、数据传输电路以及LabVIEW上位机。在数据传输环节中，为了高效率传输得到数据，使用了TCP（传输控制协议）来实现。它应用了很多数字电子技术和模拟电子技术、计算机技术、信号与系统等基本原理。 主要的特点有以并行能力强的FPGA为核心、双路探测、2048道计数、高速、高集成度、高精确度、低功耗、环境适应能力强、便携、操作灵活等。LabVIEW上位机对能谱信息进行放大、缩小、平滑、ROI计数、寻峰等操作，使得能谱信息准确清晰方便的显示。 对铀235放射性测试的结果中，上位机清晰显示出各个道址计数值。启动、停止、门控、通信状态、发送指示灯状态、感兴趣区的能谱图的放大、缩小、移动以及ROI计数、能谱平滑、寻峰、保存数据等功能运行正常。显示结果比较可靠，各个参数表现优良，整体性能良好，系统稳定运行，达到了预期设定的各项目标。

目录

声明

图表清单

1 绪论

1.1 课题研究背景和研究意义

1.2 国内多道脉冲幅度分析仪的发展现状

1.3 国外多道脉冲幅度分析仪的发展现状

1.4 本文主要研究内容

2 多道脉冲幅度分析仪基本原理

2.1 碘化钠（铊）闪烁体探测器与输出信号

2.2 主放大器的原理

2.3 峰值采集和保持的原理

2.4 AD模数转换的原理

2.5 多道脉冲幅度分析的原理

2.6 TCP网络传输的原理

2.7 二次多项式五点拟合方法能谱平滑的原理

2.8 导数法能谱寻峰的原理

2.9 系统整体方案

3 硬件电路设计

3.1 系统整体电路

3.1.1 仪器外观接口设计

3.1.2 顶层电路图设计

3.1.3 系统电源设计

3.2 信号前级衰减电路

3.3 峰值检测和保持电路

3.4 ADC 模数转换模块

3.5 FPGA 计数处理部分

3.5.1 FPGA的顶层电路

3.5.2 FPGA的BANK0电路

3.5.3 FPGA的BANK1电路

3.5.4 FPGA的BANK2电路

3.5.5 FPGA的BANK3电路

3.5.6 FPGA的系统时钟

3.6 ARM配置和上位机接口部分

3.6.1 ARM模块的功能

3.6.2 ARM电路模块

3.6.3 上位机TCP通信接口模块

3.7 系统电源部分

3.7.1 前端信号处理电源

3.7.2 FPGA核心电压VCCINT

3.7.3 FPGA辅助电压VCCAUX

3.7.4 FPGA接口电压VCCIO_3.3V

3.7.5 FPGA接口电压VCCIO_1.2V

3.7.6 FPGA接口电压VCCIO_1.8V

4 软件设计

4.1 FPGA程序

4.1.1 ISE软件简介

4.1.2 FPGA程序编写

4.2 ARM程序

4.2.1 Keil5软件简介

4.2.2 ARM程序编写

5 上位机软件设计

5.1 上位机整体设计

5.1.1 LabVIEW软件介绍

5.1.2 上位机测试软件实时采集界面

5.1.3 上位机测试软件能谱显示界面

5.1.4 上位机测试软件菜单栏

5.2 上位机实时显示界面功能介绍

5.2.1 实时显示界面的能谱波形显示窗口

5.2.2 状态栏显示和设定窗口

5.2.3 采集模式设置窗口

5.2.4 门控方式设置窗口

5.2.5 通信状态窗口

5.2.6 放大缩小和点状图指示窗口

5.3 上位机能谱显示界面功能介绍

5.3.1 能谱显示界面的能谱波形窗口

5.3.2 图谱操作、标尺和游标控制的设置窗口

5.3.3 ROI信息窗口

5.3.4 寻峰参数设置与显示窗口

5.3.5 通道选择和文件数据导出导入窗口

6 系统调试和结果分析

6.1 实验操作和结果

6.1.1 硬件实验操作流程

6.1.2 实时采集

6.1.3 能谱图显示

6.1.4 双路一致性测试

6.1.5 能谱图放大缩小移动

6.1.6 ROI信息

6.1.7 导数法寻峰

6.1.8 二次多项式五点拟合方法能谱平滑

6.2 实验结果分析

7 总结

参考文献

致谢