多通道核电子学数据采集仪器、系统及方法

摘要

本发明提供一种多通道核电子学数据采集仪器、系统及方法，该仪器包括：依次相连的信号处理模块、计数采集模块和控制模块；信号处理模块用于接收多路探测器输出的电荷信号，并将多路电荷信号分别转换为数字电平信号后发送至计数采集模块；计数采集模块用于分别获取多路数字电平信号中在各自预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲个数，并将多路脉冲个数发送给控制模块；控制模块用于按序接收多路脉冲个数，并将排序后的多路脉冲个数通过网络通信模块发送给上位机。该多通道核电子学数据采集仪器实现了多路核电子学数据的集中处理、集中高精度采集以及按序传输，且简化核电子学仪器。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种多通道核电子学数据采集仪器及系统。

背景技术

核燃料棒

无源检测设备可通过增加串行布置的探测器数量(32个以上) 来实现高速检测，布置的探测器越多，检测速度越快，相应配套的核电子学仪器数量也越多，体积庞大，接线复杂。中国发明专利申请CN111736201A公开了一种核燃料棒有源检测系统，其虽提及将多路核电子学及数据采集系统设计为集成一体化结构，但并未公开实现核电子学数据采集、甄别、存储、传输等的具体结构。

中国发明专利CN209517171U公开了一种定时数据采集卡，但该采集卡只具备简单的数据采集、存储和传输功能，不具备数据处理功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种集成一体化结构的多通道核电子学数据采集仪器，可获取多路探测器的核电子学数据，并通过以太网发送给上位机，从而实现了多路核电子学数据的集中处理、集中高精度采集以及按序传输，且简化核电子学仪器；还相应提供一种具有该仪器的系统。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种多通道核电子学数据采集仪器，其包括：信号处理模块、计数采集模块和控制模块，所述信号处理模块、计数采集模块和控制模块依次相连；

所述信号处理模块与多路探测器分别相连，所述信号处理模块用于接收多路探测器输出的电荷信号，并将多路电荷信号分别转换为数字电平信号后发送至计数采集模块；

所述计数采集模块用于分别获取多路数字电平信号中在各自预设上下阈值范围内的脉冲个数，并将多路脉冲个数发送给控制模块；

所述控制模块用于按序接收多路脉冲个数，并将排序后的多路脉冲个数通过网络通信模块发送给上位机；所述控制模块还用于通过网络通信模块接收并解析上位机发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置。

可选地，所述信号处理模块包括多个信号处理电路，多个信号处理电路与多个探测器一一对应；

所述信号处理电路包括电荷放大器和甄别器；

所述电荷放大器的输入端与相应探测器相连，所述电荷放大器用于接收并放大相应探测器输出的电荷信号，再将放大后的电荷信号转换为电压信号输出；

所述甄别器包括上甄别器和下甄别器，所述上甄别器和下甄别器的输入端分别与电荷放大器的输出端相连，所述上甄别器用于将相应电压信号中各脉冲值与预设的上阈值进行比较，高于上阈值输出高电平信号，低于上阈值输出低电平信号；所述下甄别器用于将相应电压信号中各脉冲值与预设的下阈值进行比较，高于下阈值输出高电平信号，低于下阈值输出低电平信号；

可选地，所述信号处理模块还包括CR-RC成形电路，所述 CR-RC成形电路的输入端与相应电荷放大器的输出端相连，所述CR-RC成形电路的输出端与相应上甄别器和下甄别器的输入端分别相连，所述CR-RC成形电路用于对相应电压信号进行滤波整形。

可选地，所述计数采集模块包括多个计数采集电路，多个计数采集电路与多个信号处理电路一一对应；

所述计数采集电路包括异或门电路和定时计数器；

所述异或门电路的输入端与相应上甄别器和下甄别器分别相连，所述异或门电路用于对相应上甄别器和下甄别器的输出进行异或处理，从而获得甄别后的数字电平信号；

所述定时计数器的输入端与异或门电路的输出端相连，所述定时计数器用于采集相应甄别后的数字电平信号中的脉冲个数，并将计数值发送给控制模块。

可选地，所述计数采集模块为现场可编程逻辑门阵列，所述现场可编程逻辑门阵列通过超高速集成电路硬件描述语言构建多个计数采集电路。

可选地，所述计数采集模块还包括计数值缓存器，所述计数值缓存器的输入端与定时计数器的输出端相连，所述计数值缓存器用于缓存相应的计数值，并发送给控制模块。

可选地，所述控制模块为微处理器，所述网络通信模块包括以太网媒体接入控制器、物理接口收发器和网络接口，所述微处理器、以太网媒体接入控制器、物理接口收发器和网络接口依次相连。

可选地，所述微处理器和以太网媒体接入控制器集成于同一芯片中，所述芯片为STM32F407芯片。

可选地，所述控制模块还用于将上位机通过网络通信模块传递的数字信息转换为TTL电平信号，并将所述TTL电平信号通过 IO通信模块发送给数控系统；所述控制模块还用于将数控系统通过IO通信模块传递的TTL电平信号转换为数字信息，并将所述数字信息通过网络通信模块发送给上位机。

本发明还提供一种多通道核电子学数据采集系统，包括多路探测器、如上述的多通道核电子学数据采集仪器，以及上位机；

所述多路探测器用于分别采集核燃料棒不同位置的裂变元素发射的γ射线，并转换为电荷信号输出；

所述信号处理模块与多路探测器分别相连；所述控制模块和上位机通过网络通信模块相连。

可选地，还包括数控系统，所述控制模块和数控系统通过IO 通信模块相连；

所述控制模块将上位机通过网络通信模块传递的数字信息转换为TTL电平信号，并将所述TTL电平信号通过IO通信模块发送给数控系统；所述控制模块还用于将数控系统通过IO通信模块传递的TTL电平信号转换为数字信息，并将所述数字信息通过网络通信模块发送给上位机。

本发明还提供一种多通道核电子学数据采集方法，包括：

控制模块还通过网络通信模块接收并解析上位机发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置；

信号处理模块接收多路探测器输出的电荷信号，并将多路电荷信号分别转换为数字电平信号后发送至计数采集模块；

计数采集模块分别获取多路数字电平信号中在各自预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲个数，并将多路脉冲个数发送给控制模块；

控制模块按序接收多路脉冲个数，并将排序后的多路脉冲个数通过网络通信模块发送给上位机。

本发明中，通过设计集成化一体结构的多通道核电子学数据采集仪器，具体地，多路探测器输出信号经信号处理模块采集、放大和甄别，再经计数采集模块采集处于各自预设上下阈值范围内的脉冲个数，最后按序汇总至控制模块中进行存储，控制模块经网络通信模块按序发送至上位机，从而实现了多路核电子学数据的集中处理、集中高精度采集以及按序传输。并通过控制模块实现多通道核电子学数据采集仪器和上位机之间的数据往来传输，从而大大减少了线缆布设，且简化了核电子学数据采集系统。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的多通道核电子学数据采集仪器的结构框图；

图2为本发明实施例1提供的多通道核电子学数据采集仪器的结构框图；

图3为实施例1中计数采集电路的工作原理示意图；

图4为实施例1中控制模块的功能示意图；

图5为本发明实施例2提供的多通道核电子学数据采集仪器的结构示意图(机械系统未示出)。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种多通道核电子学数据采集仪器，其包括：信号处理模块、计数采集模块和控制模块，所述信号处理模块、计数采集模块和控制模块依次相连；

所述信号处理模块与多路探测器分别相连，所述信号处理模块用于接收多路探测器输出的电荷信号，并将多路电荷信号分别转换为数字电平信号后发送至计数采集模块；

所述计数采集模块用于分别获取多路数字电平信号中在各自预设上下阈值范围内的脉冲个数，并将多路脉冲个数发送给控制模块；

所述控制模块用于按序接收多路脉冲个数，并将排序后的多路脉冲个数通过网络通信模块发送给上位机；所述控制模块还用于通过网络通信模块接收并解析上位机发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置。

本发明还提供一种多通道核电子学数据采集系统，包括多路探测器、如上述的多通道核电子学数据采集仪器，以及上位机；

所述多路探测器用于分别采集核燃料棒不同位置的裂变元素发射的γ射线，并转换为电荷信号输出；

所述信号处理模块与多路探测器分别相连；所述控制模块和上位机通过网络通信模块相连。

本发明还提供一种多通道核电子学数据采集方法，包括如下步骤：

控制模块通过网络通信模块接收并解析上位机发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置；；

信号处理模块接收多路探测器输出的电荷信号，并将多路电荷信号分别转换为数字电平信号后发送至计数采集模块；

计数采集模块分别获取多路数字电平信号中在各自预设的上阈值和下阈值范围内的脉冲个数，并将多路脉冲个数发送给控制模块；

控制模块按序接收多路脉冲个数，并将排序后的多路脉冲个数通过网络通信模块发送给上位机。

实施例1：

本实施例提供一种多通道核电子学数据采集仪器，如图1所示，其包括：信号处理模块、计数采集模块和控制模块，信号处理模块、计数采集模块和控制模块依次相连；

信号处理模块与64路探测器分别相连，信号处理模块用于接收64路探测器输出的电荷信号，并将64路电荷信号分别转换为数字电平信号后发送至计数采集模块；

计数采集模块用于分别获取64路数字电平信号中在各自预设上下阈值范围内的脉冲个数，并将64路脉冲个数发送给控制模块；

控制模块用于按序接收64路脉冲个数，并将排序后的64路脉冲个数通过网络通信模块发送给上位机；控制模块还用于通过网络通信模块接收并解析上位机发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置。

由此，通过该集成一体化结构的多通道核电子学数据采集仪器，可获取64路探测器的核电子学数据，并通过以太网发送给上位机，从而简化核电子学仪器。

本实施例中，信号处理模块包括64个信号处理电路，64个信号处理电路与64个探测器一一对应。

信号处理电路包括电荷放大器、CR-RC成形电路和甄别器。

电荷放大器的输入端与相应探测器相连，电荷放大器用于接收并放大相应探测器输出的电荷信号，再将放大后的电荷信号转换为电压信号输出。

CR-RC成形电路的输入端与相应电荷放大器的输出端相连， CR-RC成形电路用于对相应放大后的电荷信号进行滤波整形。

甄别器包括上甄别器和下甄别器，上甄别器和下甄别器的输入端分别与CR-RC成形电路的输出端相连，上甄别器用于将相应滤波整形后的电荷信号中各脉冲值与预设的上阈值进行比较，高于上阈值输出高电平信号，低于上阈值输出低电平信号。下甄别器用于将相应滤波整形后的电荷信号中各脉冲值与预设的下阈值进行比较，高于下阈值输出高电平信号，低于下阈值输出低电平信号。

通过上述的信号处理模块，可以直接将64路探测器输出的电荷信号转换得到数字电平信号，从而不需要传统的探测器前置放大器、主放大器、脉冲幅度分析器等众多的核电子学仪器，进一步简化了核电子学系统的结构。并且，64路探测器输出的电荷信号同时处理，提高了数据处理效率。

本实施例中，计数采集模块包括64个计数采集电路，64个计数采集电路与64个信号处理电路一一对应。

如图2所示，计数采集电路包括异或门电路、定时计数器和计数值缓存器。

异或门电路的输入端与相应上甄别器和下甄别器分别相连，异或门电路用于对相应上甄别器和下甄别器的输出进行异或处理，从而获得甄别后的数字电平信号。

定时计数器的输入端与异或门电路的输出端相连，定时计数器用于高精度定时(优于0.1ms)采集相应甄别后的数字电平信号中的脉冲个数，得到相应探测器处于所设定的能量区间的信号脉冲个数计数值，并将计数值发送给计数值缓存器。

计数值缓存器的输入端与定时计数器的输出端相连，计数值缓存器用于缓存相应的计数值，并通过并口发送给控制模块。

本实施例中，计数采集模块具体为FPGA(Field-Programmable Gate Array，可编程逻辑器件)，通过超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)实现上述64个计数采集电路的设计，即：通过VHDL 语言，在FPGA中构建64个上述的计数采集电路。从而不需要传统的与探测器对应的多个单通脉冲幅度道分析器及多个数据采集卡等核电子学仪器，进一步简化了核电子学系统的结构。并且， 64路数据同时采集，进一步提高了数据处理效率。

本实施例中，如图3所示，控制模块为ARM(Advanced Reduced Instruction SetComputer Machine，精简指令集计算机微处理器)微处理器。该ARM微处理器用于按时间序列接收各计数采集电路发送的计数值，并把数据按时间序列打包，通过网络通信模块发送给上位机。该ARM微处理器内置的存储器可按时间序列存储各计数采集电路发送的计数值，从而避免了上位机系统崩溃导致的数据丢失问题。

该ARM微处理器还用于通过网络通信模块接收并解析上位机发送的对各模块进行参数设置的指令，并执行相应指令以完成相应参数的设置。这些参数包括ARM按序定时接收计数值的时间间隔，各通道的上甄别器的预设上阈值，各通道的下甄别器的预设下阈值等。

该ARM微处理器还负责初始化核电子学数据采集仪器基准电压、网络通信接口、IO通信接口、存储器等参数等。

网络通信模块是该多通道核电子学数据采集仪器与上位机之间的唯一通信通道。

本实施例中，该网络通信模块包括以太网媒体接入控制器 (MAC)、物理接口收发器PHY((physical interface device)) 和网络接口，ARM微处理器、以太网媒体接入控制器、物理接口收发器和网络接口依次相连。本实施例中，微处理器和以太网媒体接入控制器集成于同一芯片中，即利用ARM芯片内部集成的网络MAC层控制模块外接一个PHY(physicalinterface device)芯片来实现网络数据传输。网络接口采用集成了网络变压器的RJ45 接口，提高网络传输的抗干扰能力，通过该网络通信模块实现上位机向仪器传输命令、仪器向上位机发送数据以及双方的握手反馈命令传输等，可通过网线传输，也可以根据需要选择wifi无线数据传输。进一步简化设备硬件连接步骤，方便检测人员测试过程。

本实施例中，控制模块还用于将上位机通过网络通信模块传递的数字信息转换为TTL电平信号，并将该TTL电平信号通过IO 通信模块发送给数控系统；控制模块还用于将数控系统通过IO通信模块传递的TTL电平信号转换为数字信息，并将该数字信息通过网络通信模块发送给上位机。

IO通信模块支持10路以上数字量TTL输出和10路以上数字量TTL输入。

本实施例中，ARM芯片选用意法半导体的高性能数字信号控制器芯片，型号为STM32F407。该芯片基于先进的Cortex-M4内核设计而成，增加了浮点运算能力和增强的DSP处理指令；具有更多的存储空间，高达1M字节的片上闪存和高达196k字节的内嵌SRAM；设有灵活的外部存储器接口FSCM；以168MHz的高速运行时可以达到210MIPS的处理能力。该芯片融合了DSP与 MCU的双重优势，即实现了MCU的灵活控制能力，又兼具了DSP 的高速数据处理能力。

STM32F407芯片具有高性能的计算能力，内部采用了冯诺依曼的计算机模型，在数据处理方面Cortex-M4比Cortex-M3，具有更强的计算能力。STMF407芯片具有更高的Flash访问速度。具有自适应实时加速器，能够完全释放Cortex-M4内核的性能；当 CPU工作于所有允许的频率(≤168MHz)时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。STMF407芯片具有卓越的功耗效率。主频为168MHz情况下，在闪存中执行CoreMark基准测试程序，功耗为38.6mA。

实施例2：

本实施例提供一种多通道核电子学数据采集系统，如图4和图5所示，该系统包括机械系统、多路探测器、实施例1的多通道核电子学数据采集仪器、上位机和PLC自动控制系统。

多通道核电子学数据采集仪器的控制模块和上位机通过网络通信模块相连，控制模块和PLC自动控制系统通过IO通信模块相连。相应的探测器相连。

机械系统由燃料棒上下料储存架、检测料架、上下料装置、传动装置，检测屏蔽体等组成。上下料储存架、检测料架由主要用于存储和检测燃料棒；上下料装置能依次将四根燃料棒传到检测料架，或将检测完成的燃料棒按好坏分选到下料储存架；传动装置采用伺服电机驱动，能带动燃料棒匀速通过检测体进行检测；检测屏蔽体位于检测料架中部，由钢板、铅盖以及钨屏蔽板构成，内部分为四个独立检测通道，可一次同时检测4根燃料棒。

探测器放置在检测屏蔽体独立检测通道内，每个检测通道串行布置多路探测器，探测器之间由屏蔽管连接，相邻屏蔽管形成一个准直孔，实现燃料棒的准直，整个检测通道内贯穿一根尼龙管，将屏蔽管、探测器串在一起，确保燃料棒能顺畅通过检测通道。检测屏蔽体四周及内部各检测通道间有钨板屏蔽，主要用于屏蔽周围环境的各种辐射以及通道间的干扰，消除对检测结果的影响。

多路探测器与信号处理模块的相应电荷放大器相连，探测器多路探测器用于分别采集核燃料棒不同位置的裂变元素发射的γ射线，并转换为电荷信号输出。多通道核电子学数据采集仪器对多路探测器输入的电荷信号预处理、阈值甄别后进行定时计数采集，然后通过网络通信模块传输给上位机的检测软件进行数据处理分析。本实施例中，上位机通过千兆网线与多通道核电子学数据采集仪器进行连接，上位机内置的软件系统可通过网络对多通道核电子学数据采集仪器工作参数以及PLC控制信号进行程控，同时可以通过网络传输获取多通道核电子学数据采集仪器定时采集的各探测器计数，并对采集数据进行分析处理，完成燃料棒的无损检测。

PLC自动控制系统通过获取计算机检测软件经多通道核电子学数据采集仪器I/O端口输出的启动检测、停止检测、好坏料分选等控制信号，并结合相应的传感器信息，可控制核燃料棒无损检测设备机械系统中的气缸和电机运动，完成核燃料棒上料、传输、分选、下料等机械动作，实现核燃料棒的全自动检测。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。