宇宙射线μ子成像触发逻辑电路插件的研制

摘要

宇宙射线μ子成像技术是一种新裂变核材料探测技术，根据μ子穿过被探测物体前后径迹偏转角的变化，结合图像重建算法，可以探测物体内部是否含有裂变核材料，从而实现对车辆、集装箱等走私裂变核材料的无损伤检测。
　　在μ子成像装置中，触发逻辑插件是触发判选系统的重要组成部分，其作用是快速实时的对有效μ子事例进行选择，并产生触发信号。触发信号的目的是减少偶然触发率并排除无效的本底事例，当一个μ子穿过六组漂移管探测器和上下塑料闪烁体探测器时，称之为一个可用的好事例，当可用的好事例出现时，需要为系统提供一个触发信号，触发逻辑信号是塑料闪烁体S1和S2以及上层漂移管与下层漂移管四组信号相符合而产生的。
　　论文调研了宇宙射线μ子成像技术的研究现状，对μ子成像技术中触发逻辑电路这一重要组成部分进行了研究，并研制了用于宇宙射线μ子成像原型样机的触发逻辑电路插件。具体工作如下：
　　1、根据国内外宇宙射线μ子成像技术的发展情况，对宇宙射线μ子成像装置的工作原理进行了理论研究，并结合μ子成像技术中触发逻辑电路的研究需要，确定触发逻辑电路的结构及设计要求。
　　2、根据可编程逻辑电路（FPGA）的特点及LVDS信号传输的要求，设计了用于μ子成像的触发逻辑电路，主要包括：电源设计、FPGA可编程逻辑电路设计、插件与前端电子学电路之间的数据接口以及插件与计算机之间的数据传输接口，最终完成了触发逻辑电路插件PCB的设计及制版。
　　3、根据触发逻辑电路的功能要求，用Verilog HDL硬件描述语言对触发逻辑电路的各个功能模块进行设计，并对各功能模块进行仿真验证，仿真结果表明各逻辑模块均满足设计要求。
　　4、对完成的触发逻辑电路插件进行测试，主要包括电源测试、串口通信测试、DAC阈值测试以及对该插件的功能和产生的触发信号延迟时间等进行测试。测试结果表明，该插件输出触发信号脉宽为50ns,在500kHz下工作正常，可以实现对S1、S2信号从500ns到810ns之间的可编程延时，延迟精度为10ns,满足宇宙射线μ子成像样机对有效μ子事例的选择要求。
　　本工作完成了μ子成像装置中触发逻辑电路插件的研制任务,设计制作的触发逻辑电路插件为6层的PCB电路板，其主要逻辑功能由一片EP2C35F484C8N的FPGA芯片实现，输入为LVDS电平、输出为TTL电平，通过对触发逻辑插件的各项参数进行测试，表明该电路设计是合理可行的。

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第一章 绪论

1.1 宇宙射线μ子成像技术的背景及意义

1.2 国内外研究的基本情况

1.3 论文的主要内容

第二章 宇宙射线μ子成像装置

2.1 μ子成像原理

2.2 μ子成像装置的结构及组成

第三章 触发逻辑电路插件的研制

3.1 触发逻辑电路插件的结构

3.2 电源的设计

3.3 FPGA可编程逻辑电路的设计

3.4 插件与前端电子学电路之间的数据接口

3.5 插件与主控计算机之间的数据传输接口

3.6 DAC阈电压电路

3.7 PCB设计与制版

第四章 FPGA逻辑的设计

4.1 FPGA器件的基本结构

4.2 FPGA设计的流程

4.3 配置编程语言介绍

4.4 逻辑设计思路

4.5 逻辑电路设计

4.6 触发逻辑电路仿真

第五章 触发逻辑插件的测试与分析

5.1 电源部分

5.2 时钟部分

5.3 UART数据接口测试

5.4 DAC阈值测试

5.5 触发逻辑电路的测试

第六章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

附录Ⅰ

附录Ⅱ