基于雙口RAM核監測數字示波器設計研究

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

關鍵詞： 核脈沖； 數字示波器； 數字波形； FPGA； 雙口RAM

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0122?03

Design of digital oscilloscope for nuclear detection based on dual RAM

ZHOU Huan?yin， FANG Zong?liang， CAO Jian?feng， WEN Qi?lin

（College of Chemical Defence， Beijing 102205， China）

Abstract： The signals output from various sensors are transformed to digital signals by ADC in nuclear radiation detection system. Then these digital signals are processed by DSP technology. To measure the digital waveform parameters of the nuclear signals more accurately， the digital oscilloscope based on FPGA dual?port RAM was designed and tested. The experiment results show the digital oscilloscope can capture the digital waveform and various parameters of the nuclear signals precisely， and record， playback and analyze the nuclear signals’ waveforms. This design provided a strong guarantee for nuclear burst detection and detection instrument’s design.

Keywords： nuclear pulse； digital oscilloscope； digital waveform； FPGA； dual RAM

福島核事故促進了核監測儀器的飛速發展。在核爆監測中，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、方式和當量等。為了將信號存儲、分析及各種數學處理，需要將核信號轉換為數字信號。基于FPGA的數字存儲示波器可以實現核信號的采集、存儲及各種處理，獲取核信號的各種參數，輸出報警信息，再將獲取的信號通過GPRS、北斗1和數傳電臺等多種方式傳送至指揮中心，為核監測決策提供數據支持。下面就基于FPGA雙口RAM的數字存儲示波器進行設計研究。

1 FPGA簡介

現場可編程門陣列（FPGA）是在專用集成電路（ASIC）的基礎上發展起來的一種新型邏輯器件，是當今數字系統設計的主要硬件平臺。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，使硬件設計工作成為軟件開發工作[1]。

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字電路，因而大大加快電子產品的研發周期，降低研發成本，縮短產品上市時間。FPGA具有高密度（一個器件內部可用邏輯門可達數百萬門），運行速度快（管腳間的延時小，僅幾個納秒）的特點。用FPGA設計數字電路可以簡化系統設計，縮小數據規模，提高系統的穩定性[2]。FPGA不僅可以解決電子系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且開發軟件投入少、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、多品種的產品需求，使FPGA成為首選。同時FPGA的Intellectual Property（IP）越來越被高度重視，帶有IP內核的功能塊在ASIC設計平臺上的應用日益廣泛。尤其是FPGA很方便設計各模塊并行處理，極大地提高信號處理速度。由于FPGA的上述優點，基于FPGA的各種儀器設計技術得到了越來越廣泛的應用[3?5]。

2 基于雙口RAM的數字示波器設計

2.1 基于雙口RAM的數字示波器的設計原理

核輻射探測傳感器將核輻射的各種信號轉換為電信號，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的調理，高速A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，FPGA對該數字信號進行數字濾波、存儲等處理。基于雙口RAM的數字示波器原理圖如圖1所示。

圖1 基于FPGA雙口RAM的數字示波器原理圖

2.2 模/數轉換電路

要對核信號進行精確的數字分析處理，就需要對核信號進行精確的數字取樣，取樣頻率越高，取樣結果越準確。AD9244[6]是Analog Device公司生產的14位高速高精度模/數轉換器，具有750 MHz輸入帶寬，采用流水線技術，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。它專門應用于峰峰值小于2 V的小信號模/數轉換系統，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位數字量為00000000000000；輸入模擬電源為0 V時，輸出數字量為10000000000000；輸入模擬量為1 V時，輸出數字量為11111111111111。輸入模擬量低于-1 V時，溢出位為1，輸出數字量為00000000000000；輸入模擬量高于1 V時，溢出位為1，輸出數字量為11111111111111。A/D取樣示意圖如圖2所示。NaI（Tl）閃爍體探測器核脈沖信號經放大整形后輸出近高斯波形模擬信號，再經8138轉換為差分模擬信號進入AD9244，FPGA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/數變換。

圖2 A/D取樣示意圖

2.3 雙口RAM IP核定制[7]

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

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

圖3 雙口RAM通過串口直接輸出數據

圖4 雙口RAM由Microblaze輸出數據

2.4 數字波形數據存儲及波形輸出

FPGA雙口RAM（Dual RAM）數據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觸發模式，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點數據和串口輸出數據交替工作，每存儲滿一次數據就通過串口輸出數據，串口輸出完數據后重新采集和存儲數據；定時輸出為Dual RAM存儲1 024采樣點數據，存儲滿后待定時信號，設定每幾秒輸出一次波形數據；脈沖波形參數觸發模式類似于通用數字存儲示波器的輸出觸發模式，在波形數據寫入RAM前對波形參數（如脈沖幅值、脈沖形狀、脈沖寬度等）數據進行提取，當波形參數在需要的范圍時，FPGA輸出數字波形，該模式可以采集并輸出指定參數的脈沖信號，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信號波形進行錄制、回放和精確分析，從而實現核爆的自動監測和識別。

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判斷核爆炸方式。示波器采集的NaI（Tl）探測器經成形后的近高斯核脈沖信號如圖5所示。將脈沖數字波形用OREC譜分析軟件進行分析，由于輸出的值是數字多道工作的實際值，比用通用示波器更準確，可進行更準確的分析。

圖5 示波器采集核脈沖信號數字波形

脈沖波形形狀：圖5所示波形和通用數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量的重要依據。該波形測量方法是在強輻射環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。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節，減小高斯成形電路的下沖。可根據脈沖的形狀（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：該數值是探頭放大成形電路調節和數字多道基線扣除的重要依據。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，需要對探頭進行調節或在數字多道中對基線值進行扣除。

脈沖寬度測量：該值是抗干擾設計和基于脈寬測量反堆積的重要依據。可讀出正脈沖（高于基線均值的取樣點）共約125左右個取樣點，脈寬為2.5 μs，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：該值是數字多道脈沖幅度分析器設計最重要的數據。可讀出兩個脈沖數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，對應為312道，通過數字多道能譜分析，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，所以在數字多道處理時，可用DSP IP核對脈沖波形進行數字平滑處理，同時可通過設定一定的噪聲容限，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據，可以對數字多道能譜儀的準確性進行測試驗證。

4 結 語

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

參考文獻

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[2] 徐欣.基于FPGA的嵌入式系統設計（Xilinx Edition）[M].北京：機械工業出版社，2005.

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[7] Xilinx. LogiCORE IP block memory generator V6.3 [EB/OL]. [2012?12?05]. phttp：// www.xilinx.com.

[8] 徐文波.Xilinx FPGA開發實用教程[M].2版.北京：北京清華大學出版社，2012.