一種基於超高速數據採集卡的多適性核信號處理系統的製作方法

2023-05-29 07:31:46

專利名稱：一種基於超高速數據採集卡的多適性核信號處理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算機應用技術，尤其涉及核信號檢測與處理技術，適用於 核信號處理與分析領域。
背景技術：
隨著核科學技術的飛速發展，對由核輻射和原子核等構成的核信息系統 所攜帶的信息進行測量和分析，是進行核信息系統內部特徵和規律研究的重
要保證。通常，人們主要採用各種"光電類"探測器件，如光電倍增管(PMT)、 光電二極體(PD)等所構成的核輻射探測器來感受和傳遞核信息，並把它轉 換成電信號，進而處理和研究這些信號及其特徵。由於核信號產生的特殊性， 每獲取一次核信號代價往往極其昂貴，而且實驗無法重複進行，因而現代核 信號處理必需要求高速、實時和準確，還要考慮構建整個系統的低成本、可 重用、多適性等問題。
核信息系統中的核信號通常是一種多通道裂變信號，它具有形式多樣性、 表現複雜性、裂變隨機性以及快速反應性，核信號的電子學表達形式統分為 兩大類(1)脈衝信號，其脈衝發生時刻蘊含著核材料或核事件的信息。按脈
衝信號所表徵的特徵頻率範圍再分的話，又可以分為高頻脈衝和低頻脈衝信
號；(2)連續信號，其信號的積分效應及電壓幅度蘊含著核材料或核事件的信 息。按連續信號所表徵的特徵頻率範圍再分的話，又可分為高頻連續和低頻
連續信號。
目前，國內外對核信號的採集及功率譜分析已開展了一些研究工作，實 現了全硬體化的核信號實時採集及功率譜分析系統，主要有如NWIS (NuclearWeapons Identification System)系統，該系統能夠實時採集3 5通道的脈衝 中子信號並同時進行功率譜密度的分析。然而系統獲取的原始脈衝信號和中 間處理結果無法保存，難以對實驗進行重複的驗證和事後分析。且核心部分 的純硬體化也導致系統只能處理某種特定形式的信號，無法在連續信號與脈 衝信號之間、高頻分析與低頻分析之間切換，針對不同形式的信號，需另建 採集與處理系統，且價格極其昂貴，功能擴展、系統重構困難。
近年來，隨著計算機科學和電子技術的飛速發展，在現代核電子學領域， 數據採集、處理以及分析方法需要不斷變革與創新，也需要普適性、高效性， 以期得到傳統核電子學系統難以得到的結果。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術中存在的上述缺陷，構建 一種能同時滿足高頻脈衝、低頻脈衝和高頻連續、低頻連續信號形式的核信 號高速採集、高速存儲、高速處理分析要求，同時是一套具備後處理、再分 析、多存儲能力的離線核信號處理與分析系統。
本發明解決上述技術問題的技術方案是，採用硬體、軟體相結合的方式 構造出一種基於PC平臺、採用高速數據採集卡的核信號處理與分析系統。
該系統包括中子探測器及其電子學電路、超高速數據採集卡、PC機控 制處理器、高速存儲磁碟陣列。中子探測器及其電子學電路沿用傳統方式， 提供核信號源，其電子學電路接收中子探測器輸出的中子源裂變釋放的中子 信號，將其轉變成以時間信息為標度的快邏輯負脈衝信號(包括高頻脈衝和 低頻脈衝信號)，或者是以積分電壓幅度為標度的連續信號(包括高頻連續和 低頻連續信號)；高速數據採集卡可採用3通道、1GS/S同步的採集系統，它 對輸入信號經過必要的調理、濾波後進入高速同步A/D轉換環節。當來源信號為快邏輯負脈衝信號時，採集卡按時間-數字轉換TDC (Time-Digital-Convert)方式採集記錄信號，直接由卡載FPGA單元在線完 成採集及TDC轉換，即僅對脈衝信號執行邊沿檢測以記錄脈衝發生時間，形 成的緩存結果為脈衝信號數據流；當來源信號為連續信號時，採集卡按模擬 數字轉換ADC (Analog-Digital-Convert)方式採集記錄信號，即直接對連續 信號執行模數轉換，記錄信號的電壓幅度，形成的緩存結果為連續信號數據 流。上述高速數據採集卡得到的各種形式的數據流再通過PC總線傳輸提供給 PC機控制處理器進行分析處理，同時轉存到高速存儲磁碟陣列。信號的採集、 傳輸、存儲、處理採用流水線形式的並行方式，通過PC機的多核CPU、多 線程方法予以實現並行工作機制。
本發明採用硬體、軟體相結合的方式構造出一種基於PC平臺的核信號處 理與分析系統，採用高速數據採集卡採集包括高頻和低頻的脈衝信號和連續 信號，傳輸至PC機控制處理器並轉存至高速存儲磁碟陣列。克服了現有系統 存在的不能適應多種形式信號源、不能存儲採集數據的中間結果，致使難於 對測量數據進行後續回訪處理任務，硬體製作難度大、成本高，而且系統可 擴展性差、系統測量靈活性程度較低等不足。滿足對高頻脈衝、低頻脈衝和 高頻連續、低頻連續信號情況下的核信號採集、處理、分析。


圖l本發明核信號處理系統結構框圖 圖2本發明核信號處理系統控制流程框圖
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實例對本發明的技術實現方案作具體描述。
如圖l所示為本發明系統結構框圖，系統構成包括中子探測器及其電子學部分、超高速數據採集卡、PC機控制處理器、高速存儲磁碟陣列。通過同 一塊數據採集卡可以捕獲不同形式、不同來源的中子信號；通過PC軟體完成 核信號的各種關鍵處理分析如FFT、頻譜、功率譜、相關函數等；通過加配 的磁碟陣列可以實現信號的高速存儲；通過同一套PC軟硬體平臺可以完成整 個系統各種採集、處理、分析、管理的完全控制和靈活組配。
如圖2所示為本發明核信號處理系統控制流程框圖，以下具體描述信號控 制處理過程。
中子探測器接收中子源裂變釋放的中子並經過電子學部分處理輸出相應 的中子信號，中子探測器及其電子學電路可實現對信號的形成，輸出的中子 信號包括兩種形式 一是以時間信息為標度的快邏輯負脈衝信號，其中包括 高頻脈衝和低頻脈衝信號；二是以積分電壓幅度為標度的連續信號，其中包 括高頻連續和低頻連續信號。將上述信號送入超高速數據採集卡，經過採集 卡前端必要的調理、濾波後，進行信號檢測。本系統使用1GS/S採樣率要求 的超高速數據採集卡，可組成3通道、lGS/s同步採集系統，能夠滿足系統要 求的採集速率和精度，而且具有多種記錄方式。系統工作時高速同步採集性 由採用的超高速數據採集卡保證；高速傳輸性由PCI總線傳輸速率保證；高 速存儲由RAID磁碟陣列保證；數據處理分析由高性能PC機保證。
同步採集系統可構成形式完全相同的、具有獨立的採集電路、處理電路的 3個通道；通過給定一個統一的外觸發信號對各通道進行邊沿觸發，使得各通 道開始同步採集信號，實現3通道信號的同步性採集，每採樣點的採樣是在 各通道採集時鐘(lns周期)的下降沿完成的。這樣的採集機制保證了3通道 信號採集是lns時間的同步精度，且是lns時間的採樣精度。
PC機主控處理器通過信號識別處理模塊識別判斷不同來源形式信號，根據中子探測器及其電子學電路輸出到通道中信號的數據流形式，主控處理器 控制切換採集卡的工作方式為"脈衝方式"或"連續方式"。
當輸出到通道的中子信號的數據流為脈衝形式時，通過主控處理器控制超
高速數據採集卡切換為脈衝信號工作方式，採集按TDC方式工作，即僅對採 集到的脈衝信號執行邊沿檢測(可直接由卡載FPGA的數據處理單元在線完 成)，記錄脈衝發生時間，形成的採集結果為數據量大為減少的脈衝時間數據 流。對該脈衝時間數據流進行高速緩存、高速傳輸、高速存儲、還原，隨後 進入PC機端的脈衝數據形式的預處理及後處理環節，在後處理環節進而可以 根據信號頻率分別選擇高頻、低頻處理及其它各種分析。
上述TDC方式就是對輸入到採集卡的脈衝信號在經過A/D轉換後，立即 在線執行卡載FPGA的邊沿檢測，以脈衝邊沿超過某個設定的閾值時刻作為 每個脈衝的發生時間，並且僅記錄這個時間數據，在獲得各個脈衝時間後， 隨即捨棄其它所有原始A/D轉換數據值。
當輸出到通道的中子信號的數據流為連續形式時，主控處理器控制切換超 高速數據採集卡為連續信號工作方式，採集按ADC方式工作，即對連續信號 直接執行A/D模數轉換，記錄信號的電壓幅度，形成的採集結果為數據量較 大的連續信號數據流。對該連續信號原始數據流進行高速緩存、高速傳輸、 高速存儲，隨後進入PC機端的連續信號形式的預處理及後處理環節，在後處 理環節進而可以根據信號頻率分別選擇高頻、低頻處理及其它各種分析。
上述ADC方式的特點就是對來源的連續信號在經過A/D轉換後，不執行 卡載FPGA的邊沿檢測，直接保留並記錄A/D轉換原始數據，這時的數據流 是數據量較大的，其傳輸、存儲時間較脈衝信號方式為長。
在上述流程控制過程中，無論對於脈衝信號還是連續信號，都已獲得了蘊含物理信息的數據。這些脈衝信號時間數據或連續信號幅度數據，經由系統 的PCI總線的高速傳輸、RAID磁碟陣列的高速存儲，使得最後的處理分析步
驟都能在PC機控制處理器中完成。其中的高頻和低頻的區別處理是在採集檢 測時變換或降低採樣率予以實現，進而在PC機控制處理器中體現不同頻率的
分析處理。
在上述流程控制過程中，無論是對於脈衝信號還是連續信號，在系統整個 工作過程中，信號的採集、傳輸、存儲、處理需要按流水線形式的並行、高
速處理，基於我們構建的系統，這個並行、高速工作機制通過PC機的高性能 配置、多核CPU、多線程方法予以實現。高效信號處理由PC機控制處理器 軟體完成，並充分發揮現代計算機技術的軟、硬體成果進行信號的各種關鍵 處理分析如FFT、頻譜、功率譜、相關函數等。至於系統的其它軟體調控、 管理協調、處理分析、圖形顯示等，則可通過成熟的、先進的軟體方法及工 具很方便的予以編程實現。
權利要求
1、一種基於超高速數據採集卡的多適性核信號處理系統，該系統包括中子探測器及其電子學電路部分、超高速數據採集卡、PC機控制處理器、高速存儲磁碟陣列，其特徵在於，中子探測器及其電子學電路部分將中子源裂變釋放的中子信號調理成以時間信息為標度的快邏輯負脈衝信號或者是以積分電壓幅度為標度的連續信號，輸出到高速數據採集卡，採用同一塊高速數據採集卡實現對不同來源信號的多通道同步採集處理，當輸出到通道的中子信號的數據流為脈衝形式時，通過主控處理器控制超高速數據採集卡切換為脈衝信號工作方式，採集按時間-數據轉換TDC方式記錄信號；當輸出到通道的中子信號的數據流為連續形式時，主控處理器控制切換超高速數據採集卡為連續信號工作方式，採集按模擬/數字轉換ADC方式記錄信號；採用高速存儲磁碟陣列存儲原始數據、採集記錄信號、最終結果，同時提供給PC機控制處理器進行分析處理。
2、 根據權利要求1所述的多適性核信號處理系統，其特徵在於，高速數 據採集卡採用3通道、lGS/s同步採集系統。
3、 根據權利要求1所述的多適性核信號處理系統，其特徵在於，所述TDC 方式對脈衝信號採樣後在線執行卡載FPGA的脈衝邊沿檢測，記錄脈衝發生時 間，形成的採集結果為脈衝信號數據流;ADC方式僅對連續信號執行模數轉換， 記錄信號的電壓幅度，形成的採集結果為連續信號數據流。
4、 根據權利要求1所述的多適性核信號處理系統，其特徵在於，採用具 有多核CPU、多線程PC機實現信號的採集、傳輸、存儲、處理的流水線形 式的並行工作。
5、根據權利要求2所述的多適性核信號處理系統，其特徵在於，所述3 個通道具有獨立的採集電路、處理電路，通過給定一個外觸發信號對各通道 進行邊沿觸發，各通道開始同步採集信號，使得各通道信號採集是lns時間 的同步精度，且是lns時間的採樣精度。
全文摘要
本發明請求保護一種基於超高速數據採集卡的多適性核信號處理系統，涉及信號檢測與處理技術。本系統基於同一塊數據採集卡構造出一種基於PC平臺的核信號處理與分析系統，對於不同形式的來源信號採用不同的採集方式和記錄方式。當輸出到通道的中子信號的數據流為脈衝形式時，採集按時間-數據轉換TDC方式記錄信號；當輸出到通道的中子信號的數據流為連續形式時，採集按模擬/數字轉換ADC方式記錄信號。本系統能夠同時適用於多種形式核信號源，能同時滿足高頻脈衝、低頻脈衝和高頻連續、低頻連續信號形式的核信號高速採集、高速存儲、高速處理分析要求。
文檔編號G01T3/00GK101419291SQ200810232988
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月3日 優先權日2008年11月3日
發明者勇 任, 鵬 馮, 潘英俊, 米德伶, 彪 魏 申請人:重慶大學