%ba于FPGA的二維多普勒譜儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文基于fpga 的二維多普勒譜儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)姓名：黃純靜申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：軟件工程指導(dǎo)教師：周文利;高俊雄20090525華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 i摘要正電子湮滅技術(shù) (positron annihilation technique, pat) 在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、物理冶金等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用?；?pat的二維多普勒譜儀是近十年出現(xiàn)的新技術(shù)，國(guó)內(nèi)的研究工作剛剛開始。二維多普勒譜儀是由雙通道正電子湮滅輻射 光子信號(hào)探測(cè)器、 放大電路、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成， 可以在各種工作模式下靈活轉(zhuǎn)換。本論文的主要研究?jī)?nèi)容為二維多普勒譜儀的關(guān)鍵組成數(shù)據(jù)采集分析

2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要包括兩個(gè)模塊：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸。正電子湮滅二維多普勒譜儀雙通道探測(cè)器采集正電子湮滅輻射 光子能量模擬信號(hào)、正電子壽命方波，經(jīng)板卡外圍電路逐級(jí)放大，得到的底層數(shù)據(jù)進(jìn)入本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)中的甄別、篩選、符合檢測(cè)等數(shù)據(jù)分析處理，最后由網(wǎng)絡(luò)傳輸接口傳送至pc機(jī)。上述功能在 xilinx fpga（field programmable gate array ，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）上集成實(shí)現(xiàn)。經(jīng)整機(jī)調(diào)試，二維多普勒譜儀四種工作模式可正常工作，多普勒展寬能譜和正電子壽命譜，能夠反映正電子湮滅輻射 光子的高斯波能量特征和壽命脈沖

3、方波特征。fpga 上實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)達(dá)到二維多普勒譜儀的要求。關(guān)鍵詞： 正電子湮滅技術(shù)，二維多普勒譜儀，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，符合檢測(cè)，正電子湮滅壽命 -能量關(guān)聯(lián)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 iiabstract pat (positron annihilation technique) as a modern micro-analysis method, has been applied in many areas such as solid state physics, material science, chemistry, physics and metallurgy. it can

4、provide unique information on electronic structure and defects of solid and thus play a very important role in the study of these areas. from half a century ago, the application fields of pat have been broadening, and pat has been developed continuously. the pat based two-dimensional doppler spectro

5、meter is a new technique that appear about a decade ago, and the domestic research has just begun. this thesis is focused on the key part of the equipment and concentrated on the design and implementation of the data processing and analysis system. the two-dimensional doppler spectrometer in this th

6、esis can change quickly between all kinds of work modes. in this thesis, the data analysis system mainly includes data collecting, data screening, coincidence detecting, and data network transmission. these functions are integrated on a fpga (field programmable gate array) from xilinx. two-dimension

7、al doppler spectrometer dual-channel detector collects the energy analogue signal of the photon which radiated from positron annihilation and the positron lifetime square wave, through peripheral circuits of the board to amplify. through an analogue-digital converter, the obtained digital signal is

8、analyzed by screening , coincidence detecting, and at last transmited to pc after network transmission. real time experiments of data processing with the two-dimensional doppler spectrometer demonstrated that the fpga based system has satisfied the requirements of the equipment. four different modes

9、 has been realized successfully. keywords: positron annihilation technique, two-dimensional doppler spectrometer, fpga, coincidence detecting，age-momentum correlation 獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知， 除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的

10、法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密 ，在 _年解密后適用本授權(quán)書。不保密 。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“ ” ）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日本論文屬于華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 引言1.1 正電子湮滅技術(shù)原理簡(jiǎn)介1.1.1 正電子湮滅技術(shù)正電子湮滅 (po

11、sitron annihilation technique, pat)是指：當(dāng)正電子與電子相遇時(shí)，發(fā)生湮滅，正電子與電子將其全部質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電磁輻射1。當(dāng)具備高能量的電子進(jìn)入樣品介質(zhì)中后，在約幾個(gè)ps 內(nèi)，正電子與介質(zhì)中的分子、原子發(fā)生非彈性碰撞，能量迅速降低，這一階段被稱為正電子進(jìn)入樣品介質(zhì)中的第一階段熱化階段2；此后，正電子與電子、聲子、晶體缺陷等相互作用，最后與周圍介質(zhì)中一個(gè)電子發(fā)生湮滅3，這個(gè)擴(kuò)散過程稱為正電子進(jìn)入樣品介質(zhì)中的第二個(gè)階段擴(kuò)散階段。在擴(kuò)散階段中，正電子 -電子對(duì)在湮滅時(shí)的動(dòng)量幾乎為零，正電子與電子湮沒放出兩個(gè)方向相反的 光子，即雙 湮沒4。正電子湮滅實(shí)驗(yàn)的條件易于建立，以湮

12、滅輻射來傳遞信息的這一工作方式具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 例如可以用來研究材料中空位型缺陷（例如位錯(cuò)、空位團(tuán)、微空洞等） 、追蹤樣品形變、輻照、退火回復(fù)等過程中缺陷狀況的發(fā)展與變化5。而且正電子湮滅試驗(yàn)原則上適用于任何一種材料（均含有電子），這些特點(diǎn)使正電子湮滅實(shí)驗(yàn)對(duì)廣大的固體物理和材料科學(xué)研究者頗具吸引力6。1.1.2 正電子湮滅技術(shù)中基本實(shí)驗(yàn)方法通常研究固體中正電子和多電子系統(tǒng)的湮滅特性，包括三個(gè)方面：一是測(cè)量?jī)蓚€(gè) 光子之間的夾角（湮滅輻射角關(guān)聯(lián)曲線） ；二是研究 射線的能量分布頻譜圖（多普勒線性展寬譜）；三是發(fā)射正電子到產(chǎn)生湮沒 光子的時(shí)間間隔（正電子壽命譜）7。從不同角度提供了湮滅信息，它們

13、提供了三種實(shí)驗(yàn)方法。下面詳細(xì)說明這三種實(shí)驗(yàn)方法：正電子電子對(duì)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)會(huì)引起湮沒輻射在能量上的多普勒移動(dòng)8。以正電子放射源22na 為例，當(dāng)輻射出的正電子與材料內(nèi)部電子發(fā)生湮滅后，釋放出的0.511 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2mev光子多普勒展寬能譜表征的信息是湮滅位置電子動(dòng)量。假設(shè)樣品介質(zhì)中的電子是靜止的，正電子也假設(shè)是靜止的，則湮滅輻射出的兩個(gè) 光子的輻射方向相反，且能量各為 0.511 mev9。采用較高能量分辨率的固體探測(cè)器可以探測(cè)正電子湮沒輻射在 0.511mev 附近的多普勒展寬。圖1-1 給出了多普勒展寬能譜儀的原理示意圖，將樣品擺放在測(cè)量探頭（高純鍺探測(cè)器）附近，正電子湮滅后

14、的光子被捕捉到后，經(jīng)過放大器將能量波放大，之后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理裝置（通常由一個(gè)ad 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)數(shù)據(jù)處理芯片組成）進(jìn)行波形模數(shù)轉(zhuǎn)換、特征識(shí)別，得到多普勒展寬能譜。探測(cè)器adc存儲(chǔ)裝置ge樣品22na511kev511keve+e-1280kev樣品逐級(jí)放大電路圖 1-1 一維正電子湮滅輻射多普勒展寬能譜測(cè)量?jī)x示意圖正電子從產(chǎn)生直到在材料中發(fā)生湮滅所經(jīng)歷的時(shí)間稱為正電子壽命。當(dāng)正電子壽命譜儀實(shí)驗(yàn)使用半衰期為 2.6 年的 na 正電子源時(shí)（不同正電子源光子能量不一樣） ，它在輻射正電子之后的瞬間有級(jí)聯(lián)衰變的1.28mev 光子，緊接其后正電子與樣品介質(zhì)中的電子發(fā)生湮滅， 產(chǎn)生兩個(gè)方向相反0.511m

15、ev 光子10。通過測(cè)量正電子在材料中凐滅所放出的0.511mev 光子與 1.28mev 光子之間的時(shí)間間隔，便可獲得正電子在材料中湮滅的壽命譜。圖1-2 反映了正電子湮滅壽命譜的測(cè)量原理。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 322na511kev511keve+e-1280kevt樣品圖 1-2 正電子湮滅壽命譜測(cè)量原理圖光子湮滅輻射角關(guān)聯(lián)曲線與多普勒展寬能譜提供的信息大同小異，均是有關(guān)電子的動(dòng)量11。正電子湮滅時(shí)假設(shè)湮滅對(duì)的動(dòng)量為零，則湮滅后輻射出兩個(gè)方向相反，能量相等的 2 個(gè) 光子。但是材料中電子往往具有一定的動(dòng)量，即湮滅對(duì)具有初始動(dòng)量。湮滅對(duì)具有的動(dòng)量必然要對(duì)湮滅后兩個(gè)光子的夾角和能量產(chǎn)生影

16、響，在能量上產(chǎn)生多普勒能移，方向上偏離180度產(chǎn)生一定夾角，由動(dòng)量和能量守恒定律得知，測(cè)量此夾角能反應(yīng)湮滅光子動(dòng)量。測(cè)量二維角關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)只需將前面測(cè)量多普勒展寬能譜的儀器中，線性探測(cè)器，改為面探測(cè)器陣列12，一維改為雙通道二維探測(cè)器即可。圖 1-3 為二維角關(guān)聯(lián)譜儀裝置原理圖。符合檢測(cè)存儲(chǔ)裝置樣品探測(cè)器探測(cè)器e+圖 1-3 二維角關(guān)聯(lián)譜儀裝置原理圖華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 41.2 二維多普勒譜儀介紹二維多普勒展寬譜儀， 以22na 正電子源湮滅實(shí)驗(yàn)為例， 通過對(duì)正電子湮滅后的兩個(gè) 0.511mev 信號(hào)，進(jìn)行時(shí)間和能量的相關(guān)性判斷，排除非符合事件，同時(shí)對(duì)正電子壽命與輻射 光子能量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研

17、究。 在提取材料內(nèi)部電子的動(dòng)量信息方面更具優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于研究固體材料內(nèi)部開空間缺陷(open-volume defect)位置的化學(xué)態(tài)信息將非常有利13。二維多普勒儀由正電子源、 光子捕捉雙探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理模塊(fpga)及外圍電路（電路板及模擬波逐級(jí)放大電路） 、上層圖形界面操作系統(tǒng)（pc 機(jī)）組成（圖1-4為二維多普勒譜儀原理圖） ，信號(hào)通過 a、b 兩路通道送入 fpga：1) 正電子源：正電子源通常是22na 或64cu 從正電子源放出的正電子射入樣品并在其中湮滅，目前比較常用的是常為22na 。2) 光子捕捉雙探測(cè)器： 測(cè)量 e+ - e - 湮滅對(duì)的多普勒能譜靈敏的辦法是使用高分辨率

18、半導(dǎo)體探測(cè)器，二維多普勒雙通道半導(dǎo)體探測(cè)器采用的均是高純鍺(hpge)。探測(cè)器ge探測(cè)器gead9244ad9244fpgapc22na511kev511keve+e-1280kev樣品逐級(jí)放大電路逐級(jí)放大電路a路信號(hào)通道b路信號(hào)通道圖 1-4 二維多普勒譜儀物理連接圖華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 53) 外圍逐級(jí)放大電路：將探頭送出的模擬波逐級(jí)放大。4) adc模數(shù)轉(zhuǎn)換：采用 ad9244 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。5) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（ fpga） ：本項(xiàng)目采用的是 xilinx 公司的 xc3s700an-5fgg484型號(hào) fpga。6) 上層圖形界面：系統(tǒng)的圖形界面在pc 機(jī)上，使用 qt 跨平臺(tái)圖形

19、用戶界面，如圖 1-5：圖 1-5 qt 圖形界面中的功能面板圖二維多普勒譜儀共有四種工作模式：1) 實(shí)時(shí)波形信號(hào)采集模式：采集、顯示a、b 路信號(hào)波形?？梢詫?duì)觸發(fā)模式、觸發(fā)電平、觸發(fā)通道、波形寬度以及波形前偏量進(jìn)行設(shè)置。2) 多道工作測(cè)量模式：分別對(duì)a 路或 b 路進(jìn)行多道分析，等同于常規(guī)脈沖多道分析器。 a 路可以測(cè)量高斯波形的能譜信號(hào)或方波波形的壽命譜（時(shí)間譜）信號(hào)。高信號(hào)波形、散點(diǎn)圖顯示區(qū)控制面板工作信息顯示區(qū)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 6斯波形（多普勒展寬）采用二次多項(xiàng)式擬合計(jì)算峰值14，方波信號(hào)采用峰頂平均值計(jì)算峰值。 a、b 兩路不同時(shí)工作。3) cdb(coincidence d

20、oppler broadening)模式：內(nèi)觸發(fā)或者外觸發(fā)模式下的正電子湮滅符合多普勒展寬測(cè)量。4) amoc(age-momentum correlation)模式：內(nèi)觸發(fā)或者外觸發(fā)模式下的正電子湮滅壽命 -能量關(guān)聯(lián)多參數(shù)測(cè)量。1.3 本論文的工作本學(xué)位論文共分為六章，第一章為正電子湮滅技術(shù)簡(jiǎn)介、二維多普勒譜儀的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介。第二章為fpga 在本項(xiàng)目中的功能設(shè)計(jì)及方案設(shè)計(jì)。第三章為具體闡述fpga 中數(shù)據(jù)分析各模塊的功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)仿真。第四章則為具體闡述fpga 中數(shù)據(jù)傳輸各模塊的功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)仿真。第五章是整個(gè)fpga 在設(shè)備上的整體調(diào)試工作，驗(yàn)證可靠性。 其中第一章中分析正電子湮滅各種

21、譜線及本項(xiàng)目采用二維多普勒譜儀的優(yōu)勢(shì)；第三章、第四章、第五章為我在攻讀學(xué)位期間完成的主要工作。第六章為結(jié)論。第一章 為正電子湮滅技術(shù)、 二維多普勒譜儀的系統(tǒng)簡(jiǎn)介。 這是本項(xiàng)目設(shè)備的理論基礎(chǔ)，這一章對(duì)正電子湮滅技術(shù)起源、正電子湮滅釋放的三種光子輻射研究技術(shù)，都進(jìn)行了詳細(xì)說明。系統(tǒng)說明本項(xiàng)目的電子學(xué)裝置，對(duì)于為什么選用二維多普勒譜儀以及優(yōu)勢(shì)在哪里進(jìn)行了說明。同時(shí)，闡述了此裝置各部分的功能，二維多普勒譜儀的四種工作模式。第二章 為 fpga 的選取、fpga 承擔(dān)的功能。 與以往設(shè)備中數(shù)據(jù)分析模塊的裝置進(jìn)行比較，說明fpga 的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)給出了本項(xiàng)目中我所承擔(dān)的工作的框架簡(jiǎn)介 fpga 的兩個(gè)設(shè)計(jì)方

22、案。第三章 為 fpga 中數(shù)據(jù)分析各模塊的詳細(xì)功能說明及實(shí)現(xiàn)仿真。這一章和第五章、第六章為本論文的重要章節(jié)。是我在攻讀碩士期間完成的主要工作。本章說明了ad 轉(zhuǎn)換、濾波器、甄別、符合四個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方法，仿真結(jié)果。第四章 為 fpga 中數(shù)據(jù)傳輸各模塊的詳細(xì)功能說明及實(shí)現(xiàn)仿真。重點(diǎn)說明了時(shí)延補(bǔ)償 fifo、“ 乒乓”ram 、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊三個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方法，仿真結(jié)果。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 7第五章 介紹 fpga 在設(shè)備上的整體調(diào)試。 分別針對(duì)四種工作模式進(jìn)行波形、能譜繪制，驗(yàn)證功能實(shí)現(xiàn)效果。并對(duì)系統(tǒng)提出改進(jìn)方案。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 82 基于 fpga 的二維多

23、普勒譜儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章主要介紹數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)fpga 的設(shè)計(jì)，雙通道 fpga 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括兩大模塊，數(shù)據(jù)分析模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、甄別、符合檢測(cè)；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括數(shù)據(jù)時(shí)延 fifo、數(shù)據(jù)傳輸“乒乓” ram 、網(wǎng)絡(luò)傳輸。2.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與目前嵌入式芯片單片機(jī)、 dsp、 arm 等常用的處理器相比， fpga 具有引腳多、高速度、并行數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。fpga 的主要特點(diǎn)主要有：用戶不投片生產(chǎn)就能得到合用的芯片、采用fpga 設(shè)計(jì) asic 電路、 fpga 是 asic 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一、fpga 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和i/o 引

24、腳等15。當(dāng)項(xiàng)目要求小批量芯片、高系統(tǒng)集成度、高可靠性時(shí)，fpga 是不錯(cuò)的選擇，適合作為本項(xiàng)目中數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的核心器件。目前fpga 的品種很多，有xilinx 的 xc系列、 altera 公司的 fiex 系列等。 spartan3a系列 fpga 是 xilinx 推出的低成本的 fpga,有如下特點(diǎn)：嵌入式18x18 乘法器支持高性能dsp 應(yīng)用、片上數(shù)字時(shí)鐘管理(dcm) 、無需外部時(shí)鐘管理器件、18kb 塊 ram 、可以用做緩存或是高速緩存、8個(gè)獨(dú)立的 i/o 陣列支持 24 種不同的 i/o 標(biāo)準(zhǔn)16。因此，本項(xiàng)目中的二維多普勒譜儀的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)傳輸，需要有較強(qiáng)

25、的數(shù)據(jù)信號(hào)處理和緩存功能，適合在fpga 上開發(fā)。濾波、甄別、符合判斷、信號(hào)輸出控制都將在一片fpga 芯片上集成實(shí)現(xiàn)。 降低了整個(gè)二維多普勒譜儀所需配置和調(diào)試的裝置數(shù)量，在fpga 上增添了更多的功能，例如：將正電子壽命-動(dòng)量關(guān)聯(lián)符合判斷和雙通道多普勒展寬能譜符合判斷放在同一個(gè)模塊中，只需一個(gè)模式選擇信號(hào)，就可以選擇性進(jìn)行兩種符合判斷；在譜線的甄別上，正電子壽命方波和多普勒展寬能譜譜線的甄別，也由一個(gè)模式選擇信號(hào)，在同一個(gè)模塊中選擇兩種不同的甄別方式。本論文中選擇xilinx 公司的 xc3s700an-5fgg484，開發(fā)工具為 xilinx 公司的軟華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 9件 ise

26、，fpga 模塊仿真工具選擇xilinx 公司的 modelsim。2.2 fpga 的功能設(shè)計(jì)本項(xiàng)目采用 xilinx 公司生產(chǎn)的 xc3s700an-5fgg484 型號(hào) fpga 作為數(shù)據(jù)處理裝置的核心器件， 結(jié)合外圍電路， 應(yīng)用 tcp/ip 協(xié)議向上層 pc 傳輸分析之后的數(shù)據(jù)。 根據(jù) fpga 的 verilog 硬件描述語言 (verilog hdl) 的可模塊化特性17，各功能可分模塊設(shè)計(jì)，各模塊之間設(shè)置交互信號(hào)。經(jīng)二維多普勒譜儀探頭和逐級(jí)放大電路后的是模擬信號(hào)，要轉(zhuǎn)換為pc 機(jī)上層界面能分析處理的數(shù)據(jù)，必須先進(jìn)行采樣。在fpga 內(nèi)部進(jìn)行濾波、甄別、符合檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口功能

27、實(shí)現(xiàn)。fpga 系統(tǒng)主要要求能實(shí)現(xiàn)以下功能，且分為兩路信號(hào)模塊來實(shí)現(xiàn)雙通道功能：1) 雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換：模擬信號(hào)經(jīng)逐級(jí)放大后，需要做數(shù)模轉(zhuǎn)換，以便于fpga做數(shù)據(jù)分析處理。2) 雙通道濾波：兩路通道的高斯波上通常都有噪聲，雙通道濾波主要濾去此噪聲，平滑高斯波。3) 雙通道兩種波形甄別：此模塊應(yīng)該分兩種模式，模式0 為高斯波的甄別；模式 1 為正電子壽命方波甄別。負(fù)責(zé)識(shí)別類高斯波或者正電子壽命方波，在正確譜線后輸出一個(gè)波形有效信號(hào)valid_o ，在高斯波峰值處和正電子壽命脈沖中心處輸出峰值信號(hào) peak_o。這樣便于以后模塊的模塊利用這些特征信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。4) 雙通道兩種觸發(fā)模式符合檢測(cè)：符

28、合檢測(cè)模塊的使能主要由外部信號(hào)觸發(fā)，模塊內(nèi)部應(yīng)該分為前觸發(fā)（待檢測(cè)兩路波出現(xiàn)前觸發(fā)）和后觸發(fā)（待檢測(cè)兩路波出現(xiàn)后觸發(fā)）檢測(cè)模式。觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)，對(duì)相應(yīng)波段進(jìn)行符合檢測(cè)，滿足符合條件的波末端，輸出一個(gè) accord_o 信號(hào)。5) 數(shù)據(jù)時(shí)延補(bǔ)償 fifo： 由于在以上模塊中對(duì)原始數(shù)據(jù)分析輸出波形特征信號(hào)時(shí)，相對(duì)于原始波形，這些特征信號(hào)是有時(shí)延的。但是上層pc 機(jī)軟件界面分析數(shù)據(jù)時(shí)，需要原始波形與這些特征信號(hào)對(duì)齊。所以在網(wǎng)絡(luò)傳輸之前需要對(duì)這些時(shí)延做補(bǔ)償。6) 數(shù)據(jù)傳輸 “ 乒乓”ram ：在網(wǎng)絡(luò)傳輸接口向pc 進(jìn)行數(shù)據(jù)，是以發(fā)送udp 數(shù)據(jù)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 10包的形式進(jìn)行，且在cdb 模式

29、下，需要采集峰值信號(hào)附近128 個(gè)采樣點(diǎn)作為研究對(duì)象。需要一個(gè)傳輸速度較快的數(shù)據(jù)緩存裝置，因此選擇“ 乒乓”ram作為緩存存儲(chǔ)器。7) 網(wǎng)絡(luò)傳輸： fpga 在經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、部分?jǐn)?shù)據(jù)采集后要經(jīng)此模塊傳輸?shù)缴蠈觩c 機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。需要說明的是，本項(xiàng)目中 fpga 各個(gè)模塊在分析輸出各特征值時(shí)， 如 peak_o （峰值有效） 、valid_o （波形有效）、bound_o（采樣點(diǎn)有效）等，需要處理時(shí)間，因此這些信號(hào)相對(duì)于原始波形數(shù)據(jù)有“ 時(shí)延” 。在如上模塊 “ 乒乓” 結(jié)構(gòu)中需要根據(jù)峰值peak_o 的脈沖位置截取峰值附近的128 個(gè)采樣點(diǎn)，假如不考慮時(shí)延問題，會(huì)導(dǎo)致最終網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?

30、pc 機(jī)上的數(shù)據(jù)并不是峰值附近數(shù)據(jù)，會(huì)有偏移情況發(fā)生。因此可以在“ 乒乓” 結(jié)構(gòu)模塊之前添加一個(gè)“ 數(shù)據(jù)對(duì)齊 ”fifo （先進(jìn)先出緩存區(qū)） ，也可以在 “ 乒乓 ”結(jié)構(gòu)中根據(jù) peak_o 的位置來找對(duì)應(yīng)128個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，一并將時(shí)延計(jì)算進(jìn)去。 這兩種解決時(shí)延的方法， 都需要在仿真各個(gè)模塊時(shí)， 根據(jù)對(duì)照輸入輸出波形來數(shù)出時(shí)間延遲。根據(jù)兩種不同解決時(shí)延的方法，有如下圖2-1、2-2 兩種 fpga 設(shè)計(jì)體系：ad 轉(zhuǎn)換ad 轉(zhuǎn)換濾波濾波甄別甄別符合“乒乓” ram兼計(jì)算時(shí)延“乒乓” ram兼計(jì)算時(shí)延網(wǎng)絡(luò)傳輸pc1414161616161616161616163232fpga圖 2-1 fpga

31、框架體系設(shè)計(jì)方案一如前所述，第一個(gè)fpga 整體框架設(shè)計(jì)方案，將時(shí)延的問題放在“ 乒乓”ram中與峰值附近數(shù)據(jù)采集一起解決。也就是說，當(dāng)在ram 中找尋峰值存儲(chǔ)的地址位時(shí)，華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 11將時(shí)延的長(zhǎng)度已做了補(bǔ)償運(yùn)算（例如：峰值信號(hào)地址是h12，時(shí)延為 5 個(gè)采樣周期，則峰值對(duì)應(yīng) ram 中的地址則位 h0d） 。這種方案， 在“ 乒乓” 模塊中根據(jù)地址找采樣點(diǎn)值時(shí)直接做了時(shí)延補(bǔ)償運(yùn)算。好處是簡(jiǎn)化了fpga 的模塊設(shè)計(jì)，傳輸速率提高，不用重新另立模塊進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償。那么方案二則另立時(shí)延補(bǔ)償模塊，在“ 乒乓” 模塊之前增添一個(gè) “fifo ” ，將符合、甄別模塊的特征信號(hào) (peak_

32、o、valid_o 、bound_o) 提前與原始數(shù)據(jù)對(duì)齊，在 “ 乒乓” 結(jié)構(gòu)中取峰值附近128個(gè)點(diǎn)時(shí)，則不用重新補(bǔ)償時(shí)延，直接根據(jù)地址位找尋ram中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。比較方案一，這種做法的好處是假設(shè)pc 上層界面需要觀察對(duì)齊后的波形特征，可直接從 “fifo ” 的輸出提取數(shù)據(jù)。方便了pc上層界面分析波形。ad轉(zhuǎn)換ad轉(zhuǎn)換濾波濾波甄別甄別符合“乒乓” ram“乒乓” ram網(wǎng)絡(luò)傳輸pc1414161616161616161632fpga時(shí)延補(bǔ)充 fifo時(shí)延補(bǔ)充 fifo161616161616圖 2-2 fpga 框架體系設(shè)計(jì)方案二為了降低 “ 乒乓”ram 的復(fù)雜性、也為了使上層界面有觀測(cè)對(duì)

33、齊后數(shù)據(jù)的條件，本次 fpga 的系統(tǒng)采用方案二。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 123 fpga 數(shù)據(jù)分析模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)本章針對(duì)fpga 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的第一個(gè)大模塊數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行詳細(xì)說明，數(shù)據(jù)分析模塊主要包括雙通道ad 轉(zhuǎn)換、雙通道濾波、雙通道甄別、符合檢測(cè)模塊。這些模塊共同完成對(duì)雙通道信號(hào)的數(shù)據(jù)分析。3.1 雙通道 ad 轉(zhuǎn)換模塊本論文中的 ad 轉(zhuǎn)換模塊是采用板卡上的兩個(gè)ad 轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。目前使用的是 analog devices 公司生產(chǎn)的 14 位高速高精度 ad 轉(zhuǎn)換器。它具有如下特點(diǎn)：1) 是 14 位高速高精度 ad 轉(zhuǎn)換模數(shù)器；2) 具有 750mhz 的輸入帶寬，最高允

34、許抽樣速率達(dá)到65mhz；3) 專門應(yīng)用于峰峰值小于2v 的小信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；4) 體積小、功耗低、精度高。圖 3-1 為 ad9244 的功能框圖：圖 3-1 ad9244 功能框圖系統(tǒng)信號(hào)采樣頻率為50mhz， 即每 20ns采用一次。信號(hào)電平的采樣范圍是010v，華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 13最大可分為 16384道，即每道道寬為0.6mv。ad9244 的輸入輸出時(shí)序圖如下：nn+1n+2n+3n+4n+5n+6n-6n-5n-4n-3n-2n-1nn+1n+2analoginputclockdataouttatb圖 3-2 ad9244 輸入輸出時(shí)序圖3.2 雙通道濾波器模塊3.2

35、.1 雙通道濾波器的設(shè)計(jì)要求濾波器的輸入信號(hào)為ad 轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)。 濾波的目的是平滑高斯波形，濾去噪聲，滿足設(shè)備使用時(shí)較快的時(shí)鐘頻率輸入18。濾波器要求達(dá)到一般的濾波效果、數(shù)據(jù)能進(jìn)行較快的處理， 這樣能保證向上層pc機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率較快；其次是fpga 中有數(shù)個(gè)功能模塊，在輸入信號(hào)環(huán)境相對(duì)不復(fù)雜的情況下，盡量在濾波器環(huán)節(jié)節(jié)約fpga 資源。若使用 fpga 片內(nèi)乘法器的濾波器，會(huì)占用較多資源且數(shù)據(jù)處理速度較慢19。因此對(duì)濾波器的要求如下：1) 濾去 ad 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出的高斯波上的噪聲；2) 盡量使用 fpga 內(nèi)部加法器，避免使用乘法器；3) 濾波時(shí)數(shù)據(jù)處理保證質(zhì)量，盡量減少輸出

36、延遲時(shí)間；4) 串行輸入 16bit 數(shù)據(jù)、時(shí)鐘周期50mhz。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 143.2.2 雙通道濾波器的實(shí)現(xiàn)只使用加法器的濾波器有較多類型，主要有以下幾種。1) 中位值濾波：把n 次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。其優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾 20。2) 遞推平均濾波 （滑動(dòng)平均濾波法）：將連續(xù)的 n 個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列， 隊(duì)伍長(zhǎng)度固定為 n。每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則 )，把隊(duì)列中的n 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， n 值選取跟實(shí)際物理意義有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平

37、滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。但是對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合 21。3) 加權(quán)遞歸平均濾波：是對(duì)遞推平均濾波法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。通常，越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大，即給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越低。優(yōu)點(diǎn)在于適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)較小，采樣周期較長(zhǎng)，變化緩慢的信號(hào)不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差22?？紤]到系統(tǒng)中輸入的數(shù)據(jù)是50mhz 連續(xù)串行輸入的 16bit 采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)， 而處理速度要求較快

38、，為了降低噪聲，盡量減少延遲，數(shù)據(jù)處理主要放在甄別模塊篩選高斯或正電子壽命方波，偶然干擾脈沖不太嚴(yán)重的情況，希望盡量保持平滑度較好。以上常用平均值濾波方法中，第一種需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間來對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行排序，使輸出延遲時(shí)間變長(zhǎng)；第三種只適用于采樣周期較短的系統(tǒng)，且信號(hào)同樣滯后時(shí)間長(zhǎng)。第二種雖然也有不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)ram 的缺點(diǎn)，但是綜合考慮，此環(huán)境中并沒有那么嚴(yán)重的脈沖干擾，將n 值取到 10 以下，能環(huán)節(jié)比較浪費(fèi)ram的問題。本項(xiàng)目中，濾波器最后采用遞推平均濾波，它的基本特點(diǎn)如下：1) 時(shí)鐘頻率為 50mhz；2) 以 ad 轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)作為輸入；3) 一次處理 8 個(gè)

39、 16bit 的數(shù)據(jù)，且采取先進(jìn)先出的原則，一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)存當(dāng)前華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 158 個(gè)數(shù)據(jù) (n=8)；4) 保留原始輸入的ad 轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)；5) 維多普勒雙通道同時(shí)工作時(shí)，兩個(gè)濾波器同時(shí)工作。3.2.3 雙通道濾波器的仿真結(jié)果圖 3-3 為 ise 中編譯成功的模塊在modelsim（xilinx 公司開發(fā)的一種仿真工具）中的仿真結(jié)果，使用此仿真軟件較之ise 自帶仿真工具，有更多功能23。仿真濾波效果圖（本論文中的仿真效果圖均為modelsim 中仿真效果圖）。此次仿真的輸入信號(hào)并不是實(shí)際二維多普勒譜儀設(shè)備中的實(shí)際數(shù)據(jù)，而是利用matlab繪制波形采集數(shù)據(jù)得到的一組仿真輸

40、入數(shù)據(jù)。圖中可見濾波器對(duì)于高斯波的“ 毛刺” 有平滑作用，即對(duì)于波形傳輸過程中出現(xiàn)的噪聲有抑制作用。圖 3-3 濾波器仿真效果圖華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 16圖 3-3 中，輸入的仿真波形有高斯波、方波、尖形小脈沖、疊加高斯波（基于以上波形在正常設(shè)備運(yùn)行時(shí)，較為常出現(xiàn)，因此仿真時(shí)都要作為輸入的一部分），一共1600 個(gè)數(shù)據(jù)。時(shí)鐘頻率為50mhz。波形輸出顯示：濾波器對(duì)尖形脈沖有較好的抑制作用；對(duì)高斯波的正常波形沒有太大影響（高斯波為有用波，因此不能有太大失真）；從對(duì)方波的濾波效果可以看出，此濾波器對(duì)波形的平滑效果較好（實(shí)際設(shè)備中的方波上升沿沒有仿真時(shí)的理想，是有一段平滑上升過程）。綜合仿真輸出

41、波形的分析，此濾波器基本滿足使用需求。3.3 雙通道波形甄別模塊3.3.1 雙通道甄別模塊的功能分析甄別模塊需要去除探測(cè)器信號(hào)的堆積效應(yīng)24，減少偶然符合事例，去除形狀不符合要求事例。圖 3-4 列舉了由探測(cè)器的堆積效應(yīng)產(chǎn)生的一系列事例。圖 3-4 探測(cè)器堆積效應(yīng)產(chǎn)生的壞事例圖例甄別模塊通過下面三個(gè)篩選步驟來判斷信號(hào)事例的有效性：1) 幅度篩選原理華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 17系統(tǒng)中規(guī)定了上下兩個(gè)幅度閾值，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的峰值在兩個(gè)閾值之間時(shí)為有效事例；反之為無效事例，信號(hào)被濾除。閾值以道為單位，每道對(duì)應(yīng)的電壓范圍可以在采樣設(shè)置界面中進(jìn)行設(shè)置。圖 3-5 幅度篩選示意圖2) 寬度篩選原理寬度的判斷

42、標(biāo)準(zhǔn)是以觸發(fā)電平為準(zhǔn)線，當(dāng)信號(hào)兩次穿過觸發(fā)電平之間的時(shí)間間隔在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)為有效事例；反之為無效事例，信號(hào)被濾除。時(shí)間以采樣點(diǎn)數(shù)為單位，每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際時(shí)間是20ns。圖 3-6 峰寬篩選示意圖信號(hào)幅值上限信號(hào)幅值下限無效事例有效事例無效事例最小峰寬最大峰寬有效事例無效事例無效事例觸發(fā)電平觸發(fā)電平觸發(fā)電平華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 183) 對(duì)稱性篩選原理對(duì)稱性是對(duì)峰值兩邊是否對(duì)稱進(jìn)行判斷，當(dāng)采樣點(diǎn)穿過觸發(fā)電平時(shí)，開始計(jì)數(shù)，直至峰值出現(xiàn)。 若此計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)時(shí)間大致為采樣點(diǎn)兩次穿過觸發(fā)電平的時(shí)間間隔的一半，則認(rèn)為是有效事例，反之為無效事例。圖 3-7 對(duì)稱性篩選示意圖3.3.2 雙通道波形甄別

43、模塊設(shè)計(jì)經(jīng)濾波器輸出的數(shù)據(jù)作為此功能模塊的輸入，根據(jù)項(xiàng)目要求，二維多普勒譜儀需要高斯波峰值附近的數(shù)據(jù)來繪制多普勒能譜，同樣要求能顯示高斯波和正電子壽命方波。表 3-1 為甄別模塊中的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的明細(xì)（省去模塊內(nèi)部寄存器變量）。其中輸入信號(hào)分別是50mhz 的時(shí)鐘信號(hào)和 16bit 的輸入數(shù)據(jù)（數(shù)字采樣信號(hào)經(jīng)濾波器輸出的信號(hào)）。經(jīng)過甄別模塊后，要求輸出波形的峰值出現(xiàn)信號(hào)(peak_o)、波形有效信號(hào) (valid_o) 、采樣點(diǎn)有效信號(hào) (bound_o) 、保留的原濾波器輸出信號(hào) (data_o)。以下為雙通道甄別模塊的設(shè)計(jì)：無效事例無效事例有效事例觸發(fā)電平觸發(fā)電平觸發(fā)電

44、平華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 19analysedata_ipeak_ovalid_obound_odata_o圖 3-8 甄別模塊端口設(shè)計(jì)圖如下圖 3-9、圖 3-10 為甄別模塊的時(shí)序設(shè)計(jì)圖，分為兩種模式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，高斯波甄別為模式一，正電子壽命方波甄別為模式二，模式選擇信號(hào)為pc：圖 3-9 pc=0模式 高斯波甄別時(shí)序設(shè)計(jì)圖華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 20時(shí)延時(shí)延時(shí)延時(shí)延vvvvttttbound_bevelbound _opeak_ovalid_o正電子壽命譜線圖 3-10 pc=1模式 正電子壽命方波甄別時(shí)序設(shè)計(jì)圖本模塊中設(shè)計(jì)所需網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)為：1) boundchk_level ：基

45、線值。限定從何時(shí)開始進(jìn)行波形甄別，當(dāng)采樣點(diǎn)值大于boundchk_level 時(shí)，表明采樣點(diǎn)有效，則開始進(jìn)入甄別。2) pc ：由 pc機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口傳送至本模塊pc寄存器， pc 為 0，本模塊甄別高斯波；pc 為 1，本模塊甄別方波。3) win_rise 和 win_smth：amoc 模式時(shí)，在甄別正電子壽命方波時(shí)，由于正電子壽命方波像一個(gè)方波，在甄別時(shí)，將win_rise 的值作為方波上升沿到來或下降沿到來時(shí)判別的依據(jù)。例如：當(dāng)win_rise 的值為 h0018時(shí)，每當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值大于 h0018，則判定為方波上升或下降沿出現(xiàn)。同樣的，在amoc 模式中，當(dāng)方波的上升沿過后，

46、有一段較為平緩的“ 平臺(tái)” ，當(dāng)甄別出上升沿出現(xiàn)且處于上升沿的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)不低于某計(jì)數(shù)器的值，且之后出現(xiàn)相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值低于win_smth 的值，華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 21則說明 “ 平臺(tái)” 區(qū)域出現(xiàn)。4) win_amoc_l和 win_amoc_h：根據(jù) 3）中提到，方波上升沿和下降沿是否出現(xiàn)已有一個(gè)判斷判據(jù)，但是這個(gè)不能精確保證就是上升沿或下降沿來臨，還需要多一重判斷，就是是否是接連的一系列采樣點(diǎn)都呈上升態(tài)勢(shì)，且平緩區(qū)域的采樣點(diǎn)也對(duì)應(yīng)相應(yīng)的數(shù)量范圍。當(dāng)采用某放射性樣品來測(cè)試多普勒譜線或正電子壽命方波時(shí)，amoc模式下，正電子壽命方波的上升沿寬度（采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)）和“ 平臺(tái)” 寬度都是

47、在某一范圍內(nèi)，于是當(dāng)樣品確定，可以由pc 機(jī)設(shè)置 win_amoc_l（上升沿采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)值下限）和win_amoc_h（“ 平臺(tái)” 區(qū)域采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)值下限） 。這兩個(gè)數(shù)值經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳送給甄別模塊 win_amoc_l 和 win_amoc_h寄存器。表 3-1 甄別模塊信號(hào)設(shè)置表網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)boundchk_level clk_i(50mhz) data_o pc data_i bound_o win_rise peak_o win_smth valid_o win_amoc_l win_amoc_h 3.3.3 雙通道甄別模塊的實(shí)現(xiàn)下面將分四個(gè)方面來闡述此功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法

48、：1) 網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào) pc的實(shí)現(xiàn)。利用一個(gè) 1 位的 fpga 內(nèi)部寄存器變量，將其設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)（可通過pc機(jī)設(shè)置值，傳輸?shù)秸鐒e模塊來改變pc 的值） 。當(dāng) pc 為 1 時(shí)，此甄別模塊負(fù)責(zé)甄別高斯波；當(dāng) pc 為 0 時(shí)，此甄別模塊負(fù)責(zé)甄別正電子壽命方波（類似方波）。二維多普勒譜儀中，兩個(gè)相同的甄別模塊分別甄別兩個(gè)通道的各16bit 的數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)pc 都為 1時(shí)為模式 3（二維多普勒符合展寬多普勒模式，cdb 模式） ；當(dāng)兩個(gè) pc 分別為 1、0時(shí)，為模式 4（正電子動(dòng)量 -壽命關(guān)聯(lián)模式， amoc 模式） ；當(dāng)只用其中一個(gè)或者兩個(gè)同時(shí)用且 pc 為 1 時(shí)，為模式 2（多道工作模

49、式）；當(dāng)只用其中一個(gè)且只負(fù)責(zé)顯示通道譜線時(shí)，甄別模塊將不投入使用。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 222) 采樣點(diǎn)有效信號(hào)bound_o 的功能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前面講述的基線boundchk_level，根據(jù)上層 pc 機(jī)的要求，可設(shè)置值。 cdb或 amoc 模式時(shí)，設(shè)置boundchk_level 的合適的值，大于此值的采樣值判定為此采樣點(diǎn)有效， bound_o 為 1，開始甄別。此信號(hào)是peak_o 信號(hào)和 valid_o 信號(hào)判斷的基礎(chǔ)，只有采樣點(diǎn)有效，波形和峰值才能進(jìn)行判斷。3) 波形信號(hào)幅度和寬度范圍的功能實(shí)現(xiàn)。設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，來統(tǒng)計(jì)連續(xù)采樣點(diǎn)格式是否在波形寬度范圍內(nèi)；設(shè)置兩個(gè)寄存器，分別表示

50、信號(hào)幅值上限、信號(hào)幅值下線，通過這三個(gè)數(shù)值來限定波形信號(hào)的幅度和寬度范圍。4) 高斯波的甄別和峰值有效信號(hào)peak_o。高斯波為多普勒譜線的擬合曲線，即多普勒譜線的中上段符合正態(tài)分布。將boundchk_level設(shè)置在某一數(shù)值，作為基線，對(duì)基線以上的波形做高斯甄別。 從數(shù)學(xué)角度來講，精確的辦法是對(duì)實(shí)際波形做高斯函數(shù)擬合，但這個(gè)方法需要較多資源，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)做一次數(shù)學(xué)函數(shù)擬合運(yùn)算。本項(xiàng)目中的高斯波甄別不采用高斯擬合方法，采用簡(jiǎn)易的峰值附近采樣點(diǎn)數(shù)是否對(duì)稱的方法。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高于基線boundchk_level的采樣點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，計(jì)數(shù)器 count_t開始計(jì)數(shù)，一直計(jì)數(shù)到第一個(gè)低于基線的采樣點(diǎn)出現(xiàn)。 同

51、時(shí)另一個(gè)計(jì)數(shù)器 count_half 只計(jì)從第一個(gè)采樣點(diǎn)開始遞增的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)低于基線的采樣點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，如果 count_half大致為 count_t的一半，則判定此波形為對(duì)稱波形，可以輸出valid_o 為 1，輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的脈沖。由于前有濾波器，且二維多普勒譜儀的探測(cè)器探測(cè)到的譜線雜波并不多， 所以峰值信號(hào) peak_o 采用比較采樣值大小的方法， 一次性比較三個(gè)采樣點(diǎn)，當(dāng)中間的采樣點(diǎn)最大時(shí)，則代表中間采樣點(diǎn)處有一個(gè)峰值出現(xiàn)，輸出峰值有效信號(hào) peak_o 為 1，一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平。5) 正電子壽命方波甄別和峰值有效信號(hào)peak_o。正電子壽命方波類似于方波，在前面講述wi

52、n_rise 和 win_smth、win_amoc_l 和win_amoc_h 的作用時(shí)，已將此方波的甄別辦法進(jìn)行過描述。利用上升沿采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)和“ 平臺(tái)” 區(qū)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)來判定方波出現(xiàn)，在低于boundchk_level的第一個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，若滿足上述四個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸寄存器信號(hào)的要求，則可輸出valid_o 為 1 個(gè)時(shí)鐘周期的高電平。峰值判斷時(shí)采用一個(gè)“ 平臺(tái)” 采樣點(diǎn)的計(jì)數(shù)器cnt_b，當(dāng)出現(xiàn) “ 平臺(tái)” 區(qū)域，華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 23此計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)cnt_b大致為 win_amoc_h（“ 平臺(tái)” 區(qū)域采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)下限）的一半，輸出峰值有效信號(hào)peak_o 為 1 個(gè)時(shí)鐘周期的高電

53、平。3.3.4 雙通道甄別模塊的仿真結(jié)果本模塊仿真時(shí)，采用一個(gè).txt 文本文件存放預(yù)先寫好的各種波形數(shù)據(jù)25，包括中度重疊高斯波、重度重疊高斯波、理想高斯波、方波采樣數(shù)據(jù)，全部寫為4位的 16bit的 16 進(jìn)制數(shù)據(jù)。 圖 3-11 為高斯波甄別時(shí)的仿真波形圖，圖 3-12 為正電子壽命波甄別仿真波形圖。圖 3-11 pc=0 甄別高斯波模式仿真圖除卻中間高斯波外，其它不對(duì)稱波形結(jié)尾處，沒有valid_o 單個(gè)脈沖輸出，證明其他波形被甄別出不是對(duì)稱高斯波。在每個(gè)波動(dòng)有峰值出現(xiàn)的地方都有一個(gè)peak_o 單個(gè)脈沖輸出。 第四行信號(hào)為峰值有效信號(hào)peak_o，第六行信號(hào)為波形有效信號(hào) valid

54、_o ，第七行信號(hào)為采樣點(diǎn)有效信號(hào)bound_o 。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 24圖 3-12 pc=1 甄別正電子壽命方波仿真圖圖 3-12 中，在正電子壽命波仿真輸入波形的中段，有peak_o 一時(shí)鐘周期高電平的輸出。在正電子壽命波結(jié)尾處輸出波形有效信號(hào)valid_o 。由于在實(shí)際設(shè)備中，除卻高斯波及疊加高斯波或不對(duì)稱類似高斯波的波，類似于方波的波形很少，一般檢測(cè)為方波就是正電子壽命波。所以本模塊仿真過程中未輸入類似方波但形狀不如以上輸入那么規(guī)則的波形，方波的甄別主要是為了輸出valid_o ，肯定它的存在，而不是確定它的形狀是否精確符合方波標(biāo)準(zhǔn)。以上兩種模式仿真成功證明甄別模塊達(dá)到了功能

55、要求。3.4 符合檢測(cè)模塊3.4.1 符合檢測(cè)模塊的功能分析符合事件是指相繼發(fā)生的時(shí)間間隔小于分辨時(shí)間 的事件，或者稱作同時(shí)性事件26。“ 符合” 指對(duì) a 路和 b 路信號(hào)進(jìn)行時(shí)間窗上的符合27。當(dāng) a、b 兩路信號(hào)時(shí)間差在時(shí)間窗范圍以內(nèi)認(rèn)為是符合事件，否則兩路信號(hào)都被過濾掉。在外觸發(fā)模式下，除了對(duì) a、b 兩路信號(hào)進(jìn)行時(shí)間窗符合以外，還要與外觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間窗符合，三者都在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)才認(rèn)為是符合事件28。符合僅針對(duì)甄別后的信號(hào)， 啟動(dòng)符合過華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 25濾時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)甄別過濾。因此在啟用符合過濾時(shí)需要設(shè)置好甄別過濾條件。符合時(shí)間窗的單位為采樣點(diǎn)數(shù)，采樣時(shí)間為20n

56、s，100 表示的實(shí)際時(shí)間為10020ns 。在符合過程中兩信號(hào)時(shí)間差的計(jì)算起始點(diǎn)是觸發(fā)電平第二次穿過a 或 b信號(hào)的時(shí)刻。在本項(xiàng)目中，兩通道以cdb 或 amoc 模式工作時(shí)，需要做符合判斷。當(dāng)經(jīng)過甄別模塊后，輸出的valid_o代表有高斯波或正電子壽命方波出現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)通道的valid_o 有效信號(hào) 1 的事件間隔在 win_accord 以內(nèi)，則說明符合情況發(fā)生，可輸出符合信號(hào)（ overlap）為 1 的信號(hào)。符合時(shí)間窗： win_accordvvvttta路： valid_o1b路： valid_o0overlap符合信號(hào)小于 win_accord 大于 win_accord圖 3-1

57、3 符合判斷原理說明圖需要說明的是，在此模塊中，不同于甄別模塊valid_o 為 1bit 的信號(hào)，本模塊里的 valid_o 信號(hào)為 2bit， 高位為通道 a 的valid_o 信號(hào)， 低位為通道 b 的 valid_o信號(hào)。例如：當(dāng) valid_o 為 b01時(shí)，表明在某個(gè)時(shí)鐘周期a 通道無波形有效信號(hào)出現(xiàn)、b 通道有波形有效信號(hào)出現(xiàn)。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 26符合模塊需要具備的功能如下：1) 保留原有濾波器輸出數(shù)據(jù)。2) 符合模塊由一個(gè)內(nèi)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)。此信號(hào)由上層pc 機(jī)負(fù)責(zé)送出，當(dāng)內(nèi)觸發(fā)信號(hào)為 1 時(shí)，符合模塊開始進(jìn)入工作狀態(tài)， 等待前或后觸發(fā)信號(hào)。 當(dāng)內(nèi)觸發(fā)信號(hào)為 0 時(shí)，此符

58、合模塊不工作。3) 符合判斷分兩種模式。 分別為前觸發(fā)和后觸發(fā)： 當(dāng)工作在前觸發(fā)模式時(shí)， 當(dāng)前觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)脈沖時(shí)，此觸發(fā)信號(hào)以后的有效時(shí)間內(nèi)進(jìn)行符合判斷；當(dāng)工作在后觸發(fā)模式時(shí)，當(dāng)后觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)脈沖時(shí)，此觸發(fā)信號(hào)以前的有效時(shí)間內(nèi)進(jìn)行符合判斷。4) 當(dāng)僅有兩個(gè)高斯波、 一個(gè)高斯波和一個(gè)正電子壽命方波發(fā)生符合時(shí)，輸出符合信號(hào)。如果在前或后觸發(fā)信號(hào)的有效時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)數(shù)個(gè)符合事件，將會(huì)混淆不請(qǐng)，不知道究竟哪兩個(gè)高斯波是同一事件（即同一正電子湮滅事件釋放出的兩個(gè)光子） ，這種情況將被淘汰。5) 輸出信號(hào) accord_o。本模塊的最終輸出信號(hào)，表示符合信號(hào)是否有效。當(dāng)accord_o 輸出一個(gè)時(shí)鐘高

59、電平的信號(hào)時(shí)，表明accord_o 之前或之后有符合事件發(fā)生，沒有高電平輸出，則表示沒有符合發(fā)生或并未進(jìn)行符合判斷。根據(jù)功能要求，圖3-14 說明了合檢測(cè)模塊的時(shí)序圖：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 27vvvvvvttttttvalid_o1valid_o0trig_ftrig_boverlapaccord_o前觸發(fā)信號(hào)有效時(shí)間后觸發(fā)信號(hào)有效時(shí)間符合信號(hào)有效符合信號(hào)圖 3-14 符合模塊時(shí)序設(shè)計(jì)圖3.4.2 符合檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)本模塊時(shí)鐘信號(hào)仍是50mhz，2bit 的信號(hào) valid_o 是判定是否符合的依據(jù)。如前所述，valid_o0 是 b 通道的波形有效信號(hào)， valid_o1 是 a 通道的

60、波形有效信號(hào)。雙通道的譜線可以是高斯波，也可以是正電子壽命方波。accord_o 是最終輸出的符合信號(hào)，當(dāng)accord_o 有一個(gè)時(shí)鐘周期高電平出現(xiàn)時(shí)，說明此信號(hào)之前或之后（取決于是后觸發(fā)還是前觸發(fā)）的規(guī)定時(shí)間內(nèi)有符合；當(dāng)accord_o 為低電平，說明沒有符合發(fā)生或未進(jìn)行符合判斷。圖 3-15 為模塊的設(shè)計(jì)圖：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 28圖 3-15 符合檢測(cè)模塊端口設(shè)計(jì)圖本模塊設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)如下：1) win_accord：符合時(shí)間窗。當(dāng)二維多普勒譜儀工作在cdb 或 amoc模式時(shí)，雙通道譜線的時(shí)間差低于win_accord 時(shí)，則判定為滿足符合條件。win_accord 是符合模塊的一個(gè)基準(zhǔn)量。2) t