基于雙口RAM核監(jiān)測數(shù)字示波器設(shè)計研究

摘要：在核監(jiān)測中，常將各種傳感器輸出的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后利用數(shù)字信號處理技術(shù)對各種核信號進行數(shù)字處理。為了準(zhǔn)確測量核信號數(shù)字波形的各種參數(shù)，對基于FPGA雙口RAM的數(shù)字示波器進行了設(shè)計和測試分析。實驗表明，該數(shù)字示波器能準(zhǔn)確獲取核信號的數(shù)字渡形及各種參數(shù)的值，可對核信號的波形進行錄制、回放和精確分析，為核監(jiān)測及其儀器準(zhǔn)確設(shè)計提供有力的保證。

福島核事故促進了核監(jiān)測儀器的飛速發(fā)展。在核爆監(jiān)測中，需對核輻射的各種信號如光輻射、放射線沾染、沖擊波、電磁輻射等進行測量，通過測量這些信號的時間、幅度和信號波形信息，判斷核爆炸的時間、位置、方式和當(dāng)量等。為了將信號存儲、分析及各種數(shù)學(xué)處理，需要將核信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。基于FPGA的數(shù)字存儲示波器可以實現(xiàn)核信號的采集、存儲及各種處理，獲取核信號的各種參數(shù)，輸出報警信息，再將獲取的信號通過GPRS、北斗1和數(shù)傳電臺等多種方式傳送至指揮中心，為核監(jiān)測決策提供數(shù)據(jù)支持。下面就基于FPGA雙口RAM的數(shù)字存儲示波器進行設(shè)計研究。

1 FPGA簡介

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是在專用集成電路(ASIC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型邏輯器件，是當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件平臺。其主要特點就是完全由用戶通過軟件進行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫。在修改和升級時，不需額外地改變PCB電路板，只要在PC機上修改更新程序，使硬件設(shè)計工作成為軟件開發(fā)工作。

通過編程可以立刻把一個通用的FPGA芯片配置成用戶需要的硬件數(shù)字電路，因而大大加快電子產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品上市時間。FPGA具有高密度(一個器件內(nèi)部可用邏輯門可達數(shù)百萬門)，運行速度快(管腳間的延時小，僅幾個納秒)的特點。用FPGA設(shè)計數(shù)字電路可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，縮小數(shù)據(jù)規(guī)模，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且開發(fā)軟件投入少、芯片價格不斷降低，這使得FPGA占有越來越多的市場，特別是對小批量、多品種的產(chǎn)品需求，使FPGA成為首選。同時FPGA的Inte llectual Property(IP)越來越被高度重視，帶有IP內(nèi)核的功能塊在ASIC設(shè)計平臺上的應(yīng)用日益廣泛。尤其是FPGA很方便設(shè)計各模塊并行處理，極大地提高信號處理速度。由于FPGA的上述優(yōu)點，基于FPGA的各種儀器設(shè)計技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 基于雙口RAM的數(shù)字示波器設(shè)計

2.1 基于雙口RAM的數(shù)字示波器的設(shè)計原理

核輻射探測傳感器將核輻射的各種信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號為模擬信號，然后放大、成形等電路對模擬信號進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，F(xiàn)PGA對該數(shù)字信號進行數(shù)字濾波、存儲等處理?；陔p口RAM的數(shù)字示波器原理圖如圖1所示。

2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

要對核信號進行精確的數(shù)字分析處理，就需要對核信號進行精確的數(shù)字取樣，取樣頻率越高，取樣結(jié)果越準(zhǔn)確。AD9244是Analog Devi ce公司生產(chǎn)的14位高速高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有750 MHz輸入帶寬，采用流水線技術(shù)，每個脈沖可進行一次A/D變換，最高允許抽樣速率達到65 MHz。它專門應(yīng)用于峰峰值小于2 V的小信號模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其最大的特點是體積小、功耗低、精度高。輸入模擬量在-1～1 V之間時，溢出位為0，輸入模擬電壓為-1 V時，輸出14位數(shù)字量為00000000000000;輸入模擬電源為0 V時，輸出數(shù)字量為10000000000000;輸入模擬量為1 V時，輸出數(shù)字量為11111111111111。輸入模擬量低于-1 V時，溢出位為1，輸出數(shù)字量為00000000000000;輸入模擬量高于1 V時，溢出位為1，輸出數(shù)字量為11111111111111。A/D取樣示意圖如圖2所示。NaI(T1)閃爍體探測器核脈沖信號經(jīng)放大整形后輸出近高斯波形模擬信號，再經(jīng)8138轉(zhuǎn)換為差分模擬信號進入AD9244，F(xiàn)PGA輸出50 MHz時鐘信號ADC_CLK到AD9244作為ADC的時鐘源，AD9244則輸出50 MHz 14位數(shù)字信號及1位溢出位信號到FPGA，完成模擬核脈沖信號的高速采樣。每個ADC_CLK脈沖，ADC完成一次模/數(shù)變換。

2.3 雙口RAM IP核定制

存儲核監(jiān)測數(shù)字信號既可以使用FPGA內(nèi)部的FIFO存儲器，也可使用內(nèi)部RAM存儲器。FIFO存儲器控制簡單，使用方便，但要訪問存儲數(shù)據(jù)的中間數(shù)值不很方便;RAM存儲器使用更靈活，可以利用地址來處理RAM中的任何一個數(shù)據(jù)。在FPGA內(nèi)部，RAM有兩種類型，分別是BlockRAM和Distribute RAM。其中Block RAM為硬件RAM，集中分布在FPGA內(nèi)的一個區(qū)域，利用Block RAM存儲數(shù)據(jù)時，不占用其他邏輯資源。Distribu te RAM是由FPGA內(nèi)的邏輯元件綜合成的存儲單元，廣泛分布在FPGA的各個區(qū)域，離邏輯單元電路較近，用于存儲各邏輯電路處理的信號。數(shù)字示波器存儲的波形數(shù)據(jù)量較大，所以在雙口RAM采用Block RAM實現(xiàn)。

AD9244輸出的數(shù)字信號為14位，所以RAM的數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為16位，雙口RAM數(shù)據(jù)讀、寫可采用相同的時鐘控制;波形存儲深度設(shè)定為1 024，即雙口RAM存儲1 024個采樣點數(shù)據(jù)，所以雙口RAM存儲器共占用16 Kb RAM空間。由于核儀器工作在高輻射污染區(qū)，人員一般不能進入，通信一般采用無線通信方式，所以數(shù)據(jù)常采用串口通信方式。雙口RAM數(shù)據(jù)直接經(jīng)串口輸出的原理圖如圖3所示。雙口RAM數(shù)據(jù)經(jīng)FSL總線由Microblaze處理器輸出原理圖如圖4所示。A口用于RAM信號存儲，數(shù)據(jù)寬度16位，深度1 024。B口用于RAM數(shù)據(jù)輸出，若用ISE編寫串口程序，B口數(shù)據(jù)寬度為8位，深度2 048;若采用PLB或FSL總線IP核方式，B口數(shù)據(jù)寬度定制為16位(16位RAM數(shù)據(jù)加載到32位總線的低16位上，總線高16位補零)，深度為1 024。

2.4 數(shù)字波形數(shù)據(jù)存儲及波形輸出

FPGA雙口RAM(Dual RAM)數(shù)據(jù)輸出控制可采用多種模式：存滿輸出模式、定時輸出模式和波形參數(shù)觸發(fā)模式，可用串口指令控制各模式間切換。存儲滿模式工作原理為Dual RAM存儲1 024點數(shù)據(jù)和串口輸出數(shù)據(jù)交替工作，每存儲滿一次數(shù)據(jù)就通過串口輸出數(shù)據(jù)，串口輸出完數(shù)據(jù)后重新采集和存儲數(shù)據(jù);定時輸出為Dual RAM存儲1 024采樣點數(shù)據(jù)，存儲滿后待定時信號，設(shè)定每幾秒輸出一次波形數(shù)據(jù);脈沖波形參數(shù)觸發(fā)模式類似于通用數(shù)字存儲示波器的輸出觸發(fā)模式，在波形數(shù)據(jù)寫入RAM前對波形參數(shù)(如脈沖幅值、脈沖形狀、脈沖寬度等)數(shù)據(jù)進行提取，當(dāng)波形參數(shù)在需要的范圍時，F(xiàn)PGA輸出數(shù)字波形，該模式可以采集并輸出指定參數(shù)的脈沖信號，可以對核爆炸的光輻射、電磁脈沖、沖擊波、放射線沾染等各種效應(yīng)信號波形進行錄制、回放和精確分析，從而實現(xiàn)核爆的自動監(jiān)測和識別。

3 對核脈沖信號進行測試分析

利用示波器可對核爆炸γ射線、光輻射、沖擊波等傳感器信號進行波形存儲，通過存儲信號特征參數(shù)判斷核爆炸方式。示波器采集的NaI(T1)探測器經(jīng)成形后的近高斯核脈沖信號如圖5所示。將脈沖數(shù)字波形用OREC譜分析軟件進行分析，由于輸出的值是數(shù)字多道工作的實際值，比用通用示波器更準(zhǔn)確，可進行更準(zhǔn)確的分析。

脈沖波形形狀：圖5所示波形和通用數(shù)字示波器輸出波形一致，為近高斯波形，圖像更清晰，是判斷成形電路信號成形質(zhì)量的重要依據(jù)。該波形測量方法是在強輻射環(huán)境下觀察和分析脈沖堆積的很有效方法及堆積判棄處理的重要依據(jù)。從圖5還可看出，脈沖波形下沖偏大，需對探頭放大成形電路進行調(diào)節(jié)，減小高斯成形電路的下沖?？筛鶕?jù)脈沖的形狀(混疊情況)初步判斷放射源的強弱。圖5所示，波形為示波器連續(xù)采得兩個核脈沖信號。波形圖中若測得脈沖波形密集，或出現(xiàn)脈沖重疊，則說明源較強;若脈沖稀疏，則源較弱。

基線值測量：該數(shù)值是探頭放大成形電路調(diào)節(jié)和數(shù)字多道基線扣除的重要依據(jù)。圖5中可讀出基線均值為1 072，基線值的范圍是1 069～1 074，波動大小為5，本次測量波形基線值偏大，需要對探頭進行調(diào)節(jié)或在數(shù)字多道中對基線值進行扣除。

脈沖寬度測量：該值是抗干擾設(shè)計和基于脈寬測量反堆積的重要依據(jù)?？勺x出正脈沖(高于基線均值的取樣點)共約125左右個取樣點，脈寬為2.5μs，可以計算出核脈沖成形的寬度。如果脈沖寬度過小，則可能是干擾信號;過大可能是脈沖堆積信號。

脈沖幅值測量：該值是數(shù)字多道脈沖幅度分析器設(shè)計最重要的數(shù)據(jù)。可讀出兩個脈沖數(shù)字波形的最大值分別為1 384和1 381，扣除基線值后幅值為312和309;最大值左、右兩個采樣點的值與峰值差值也小于基線波動值，說明在該采樣頻率下，用逐點比較冒泡法提取幅度值是可靠的。脈沖幅度大小可基本看出射線的能量，從測量看出，幅值為312，對應(yīng)為312道，通過數(shù)字多道能譜分析，其能量約660 keV，和波形測試用的放射源一致。所以從波形的幅度規(guī)律，可大致看出放射源主要是什么核素。

脈沖幅值時間測量：可讀出在脈沖到來后的第66個采樣點獲取最大值。

噪聲測量及抗噪處理：從圖5波形還可看出，信號中存在一定的噪聲，所以在數(shù)字多道處理時，可用DSPIP核對脈沖波形進行數(shù)字平滑處理，同時可通過設(shè)定一定的噪聲容限，幅值低于噪聲容限的都看作噪聲，高于噪聲容限的信號才可能是有效信號，對數(shù)字多道進行抗干擾處理。

脈沖波形和幅度譜比較分析：由圖5信號源高斯波形代替核脈沖信號，可用該示波器的波形圖和幅度譜圖對比，比較脈沖幅度和幅度譜數(shù)據(jù)，可以對數(shù)字多道能譜儀的準(zhǔn)確性進行測試驗證。

4 結(jié)語

總之，利用基于FPGA的數(shù)字示波器，能很好地顯示、存儲和分析核信號，是核儀器的重要技術(shù)之一，有較大的使用價值。該設(shè)計利用VHDL對FPGA進行編程，并在編程中廣泛采用并行和流水線技術(shù)，實現(xiàn)了信號高速處理;利用Block RAM定制雙口RAM存儲波形數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了邏輯資源的使用。