基于高采样率的实时核信号数字采集技术研究

摘要

核信号的采集是核安全及核燃料的监测，核物理、高能物理、重离子物理等基础研究以及核技术应用等领域获取核信息的关键。与模拟核信号处理相比，数字核信号处理，是利用模数转换器(ADC)，对核探测器输出信号进行离散化操作后，再进行相关的数字信号处理的技术。核信号数字处理技术，以其稳定性高和灵活性强等特性，正逐渐取代模拟核信号处理技术，已经成为核仪器的发展方向。
　　核脉冲的高速采样，能实现微秒级别核脉冲信号的详细提取，是进行高频窄脉冲信号处理的必要前提，也是实现堆积脉冲分离、高精度能谱测量、脉冲甄别和提高脉冲处理能力的关键。因此，核信号的高速采样，对增强数字核仪器的分析能力具有重要的作用。
　　本论文着眼于核信号的高速采样和数字信号处理的研究。通过对核信号的可控放大，高速信号采集和微控制器数据传输等技术的应用，设计了基于FPGA的核信号采集平台，并在该平台上实现了对实时核信号的100MSPS高速采样和实时核数据处理。
　　本研究选用了最大采样频率达105MSPS的ADC实现核信号的数字化操作;一般的微控制器是不能完成高频数字信号的接收和实时处理，因此在设计中，采用了具有并行处理能力的FPGA芯片，来实现高速数据的接收，并进行数字核信号的FIR滤波处理;为了简化接口的开发过程，增加数据采集板的可扩展性，采用了一款带ARM核的单片机作为数据采集板的控制中枢，实现对核数据的接收和发送操作;选用SPI总线作为FPGA和MCU的通讯方式，实现核数据的传输;同时利用微控制器的USB接口开发了USB转串口程序，实现了MCU和上位机的串口通讯。
　　课题初步测试结果表明，课题的核信号采集平台设计合理，技术路线正确，课题能够实现对实测Φ75*75 NaⅠ(T1)闪烁体探测器输出137Cs核信号的实时信号采集和存储，且实现了实时FIR滤波，并最终获得了实时能谱数据，达到了高速采样，实时处理的目的。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及其意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 论文结构安排

第2章 放射性的探测与测量

2．1 辐射事件的探测

2．2 核脉冲信号的特征

2．3 核信号的离散化处理

第3章 核信号采集方案及相关器件选型

3．1 总体方案设计

3．2 高速模数转换器及选型

3．3 可编程逻辑器件及选型

3．3．1 可编程逻辑器件的发展

3．3．2 可编程逻辑门阵列的特点

3．3．3 可编程逻辑器件选型

3．4 微控制器选型

3．5 课题开发工具介绍

3．5．1 ISE软件介绍

3．5．2 FPGA的开发流程

第4章 核信号采集硬件设计

4．1 电源模块设计

4．2 预处理电路设计

4．2．1 可调放大电路设计

4．2．2 数字偏置电压设置电路

4．3 高速采样电路

4．4 FPGA外围电路

4．5 STM32外围电路

第5章 FPGA的逻辑、信号处理模块设计

5．1 时钟模块设计

5．1．1 Xilinx DCM简介

5．1．2 时钟模块例化及仿真

5．2 高速采样控制模块

5．2．1 采样时序

5．2．2 采样控制模块设计

5．3 FIR滤波模块

5．3．1 基于Matlab的FIR滤波器设计

5．3．2 FIR滤波器在FPGA中的实现

5．3．3 FIR滤波器实现方式的对比

5．4 幅值提取模块

5．5 双端口RAM控制模块

5．5．1 双端口RAM简介

5．5．2 双端口RAM控制模块设计

5．6 FIFO控制模块设计

5．7 SPI数据传输模块设计

5．7．1 SPI数据接收模块设计

5．7．2 SPI数据发送模块设计

第6章 软件设计

6．1 微控制器软件

6．1．1 SPI数据传输

6．1．2 USB转串口设计

6．2 上位机软件

6．2．1 通讯方式介绍

6．2．2 MFC的绘图功能介绍

6．2．3 数据处理介绍

第7章 初步实验

7．1 高采样率系统实时处理能力分析

7．1．1 时钟质量分析

7．1．2 系统实时处理能力分析

7．2 实测信号采集

7．3 实测能谱

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果