基于FPGA的数字多道系统实现

发布时间：2017-03-23 14:20

  本文关键词：基于FPGA的数字多道系统实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于数字信号处理技术的日益成熟以及模数转换器技术高速发展,数字多道相对模拟多道表现出更多优点。数字多道系统(MCA)由于稳定性和灵活性强,脉冲处理精度高,脉冲通过率高,脉冲幅度值提取方法可被进一步优化。采用数字多道系统编程更加便捷,脉冲处理算法和参数的改变及调整更加灵活,其实用性强,并且数字电路较传统模拟电路精度更高、体积更小、应用更加广泛。影响数字多道能谱分辨率的主要问题之一是基线的波动,通常需要采用基线扣除方法来消除,但当基线上叠加了高频随机噪声的时候,基线的判别变得非常困难。本文通过采用最大值最小值搜索方法,巧妙地实现了脉冲峰值和基线的快速判别,使得高频随机噪声的影响得以消除,提高了能谱系统的能量分辨率和计数率。该课题完成了基于ARM+FPGA的数字多道系统的设计,模拟电路部分的前放和线放电路分别采用Cremat公司的CR-110以及CR-200。数字多道系统部分控制器ARM采用TQ2440,数字处理芯片FPGA采用Altera公司的EP2C8Q208C8N。探测器输出电流脉冲经前置放大电路后高斯成形,将高斯成形信号经高速ADC量化成数字信号,经FPGA做阈值判别、寻峰、幅度值获取、幅度值存储。幅度值存储数据串行传送至ARM,再通过USB传输线传送至上位机,在上位机上绘制出能谱。FPGA与ARM之间用总线传输方式进行通信,ARM与上位机之间用USB传输线通信,ARM驱动FPGA及USB,驱动程序的编写及驱动模块的生成在上位机Linux操作系统下完成。本文中的数字编程部分在Quartus II软件中采用Verilog HDL语言完成,电路仿真软件采用mentor graphics公司的Modelsim6.6对寻峰算法进行了仿真。幅度值获取算法部分分别采用了峰峰值法、平均值法、固定基线法三种算法。并对三种算法对能谱分辨的影响做了具体分析。实验部采用Am241放射源照射碲锌镉(CdZnTe)探测器,分别分析了探测器在几种等差高压值下能谱分辨率的变化趋势及原理。该系统采用很好的人机交互模式,由ARM配置并且控制FPGA,在上位机绘图界面输入采集时间,通过控制FPGA芯片的工作时长来控制整个系统工作时长。该系统灵活性较强,可以根据不同前放信号基线值的不同,相应的改变FPGA中算法的阈值大小,来获取对应信号的能谱,减少了传统模拟调理电路中的扣除基线环节。因此,该数字多道系统实用性很强,有利于高性能能谱分析系统的工程实现。
【关键词】：数字多道系统 ARM FPGA 幅度值获取 CdZnTe探测器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TL81
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 国内外现状10-18
• 1.2.1 像素阵列探测器的发展状况10-11
• 1.2.2 读出电路的发展状况11-16
• 1.2.3 数字多道发展状况16-18
• 1.3 课题的学术和实际意义18
• 1.4 本文主要工作及本文结构18-21
• 2 探测器工作原理及算法21-29
• 2.1 核辐射探测器概述21
• 2.2 半导体探测器工作原理21-23
• 2.3 半导体探测器系统的主要参数23-24
• 2.3.1 探测效率23
• 2.3.2 分辨率23
• 2.3.3 噪声23-24
• 2.3.4 线性24
• 2.4 梯形成形算法24-26
• 2.5 峰值检测算法26-28
• 2.5.1 最大值最小值法26-27
• 2.5.2 固定基线法27
• 2.5.3 前平均值法27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 3 系统电路设计29-39
• 3.1 系统电路框图29-30
• 3.2 前端模拟电路30-31
• 3.3 系统电路原理图设计31-38
• 3.3.1 ADC电路设计31-33
• 3.3.2 电平转换电路33-34
• 3.3.3 FPGA全局时钟电路34-35
• 3.3.4 FPGA配置电路35-37
• 3.3.5 系统逻辑框图37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 FPGA数字编程及仿真39-49
• 4.1 时钟模块的设置39
• 4.2 控制模块39-42
• 4.3 峰值检测模块42-44
• 4.3.1 输入准高斯信号基线值确定42-43
• 4.3.2 峰值检测模块程序设计43-44
• 4.4 幅度值存储及输出模块44-47
• 4.5 本章小结47-49
• 5 ARM程序设计49-59
• 5.1 镜像文件制作49-50
• 5.2 驱动及应用程序50-57
• 5.2.1 设备驱动概述及分类50
• 5.2.2 驱动程序50-52
• 5.2.3 FPGA驱动程序设计52-55
• 5.2.4 USB驱动程序55-56
• 5.2.5 顶层应用程序56
• 5.2.6 上位机程序设计56-57
• 5.3 本章小结57-59
• 6 实验及测试结果59-69
• 6.1 系统测试59
• 6.2 用标准的信号标定多道系统59-61
• 6.3 平板探测器Am241能谱测试61-62
• 6.4 四像素探测器Am241能谱测试62-65
• 6.4.1 三种峰值检测法比较63-64
• 6.4.2 峰峰值检测法实验64-65
• 6.5 实验结果分析65-68
• 6.6 本章小结68-69
• 7 总结与展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-79
• 附录79
• A.作者在攻读学位期间发表的论文79

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1 何艳;基于FPGA的数字多道系统实现[D];重庆大学;2016年

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本文编号：263933