第３６卷第１期 核电子学与探测技术 Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１ ２０１６年１月 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ． ２０１６ 基于ＦＰＧＡ的高速峰值检测 何艳，张流强，张建，石亚星，罗小丽 （重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室，重庆４０００４４） 摘要：针对研发数字多道的实际需求，提出了一种基于ＦＰＧＡ的高速峰值检测技术，并且采用ＡＲＭ ＋ＦＰＧＡ的架构实现了基于该技术的数字多道系统。通过Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真分析了ＦＰＧＡ峰值检测算法的 理论，该算法可精确获取高斯信号的最值并获得幅度值。最后通过ＣＺＴ探测器进行 Ａｍ源实测．ｙ射 线能谱，实验结果表明该峰值检测算法及数字多道系统设计可准确并且快速获得能谱图。通过合理设 置峰值检测算法的高低阈值，可以测试不同基线值的前放信号。 关键词：高速峰值检测；数字多道系统；现场可编程门阵列；ＡＲＭ；－ｙ射线 中图分类号：ＴＬ ８２２ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２０１６）１－００４３－０５ 随着数字电路的高速发展，高性能的ＡＤＣ 芯片、微处理器及逻辑可编程芯片已经商业化， １数字化能谱系统结构 数字多道相对模拟多道表现出更多优点。数字 射线（ Ａｍ源）照射碲锌镉（ＣｄＺｎＴｅ） 多道系统（ＭＣＡ）¨－３］编程方式灵活，脉冲处理 探测器后，产生的电流脉冲经前置放大器后输 精度大大提高，脉冲幅度值的获取更加快速精 出一个指数衰减脉冲，经放大成形后输出准高 确。 斯信号。４Ｏ Ｍ ＡＤＣ（ＡＤ８１３８单端转差分加 影响数字多道能谱分辨率的主要问题之一 ＡＤ９２３５）采样后由总线传输方式传输给ＦＰＧＡ 是基线的波动，通常需要采用基线扣除方法来 芯片（ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８Ｎ）。由ＦＰＧＡ实现对所采 消除，但当基线上叠加了高频随机噪声的时候， 集的高斯信号进行峰值检测运算。ＦＰＧＡ算法 基线的判别变得非常困难。本文通过采用最大 主要包括了时钟模块、控制模块、峰值检测模 值最小值搜索方法，巧妙地实现了脉冲峰值和 块、能谱存储及输出模块４部分。 基线的快速判别，使得高频随机噪声的影响得 上述电路系统主要完成对峰值的获取以及 以消除，提高了能谱系统的能量分辨率和计数 幅度值的存储，ＦＰＧＡ负责逻辑算法的实现， 率。运用逻辑编程实现峰值检测是数字多道系 ＡＲＭ控制ＦＰＧＡ外围逻辑 －６］。ＦＰＧＡ输出结 统研发的一种重要算法，它可以替代模拟峰值 果通过ＡＲＭ的通用输 输出（ＧＰＩＯ）口传送 检测电路，简化了核脉冲信号前放读出电路，也 至ＡＲＭ。ＡＲＭ再通过ＵＳＢ线传送至上位机。 改善了传统数字能谱系统的滤波算法，使得整 ＡＲＭ主要完成对ＦＰＧＡ的外围控制、数据传 个系统更加灵活。 送。数字多道系统框图如图１所示。 ２峰值检测原理 收稿日期：２０１５—１２—１６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２７４０４８）。 使用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ硬件描述语言编写峰值 作者简介：何艳（１９８９一），女，四川渠县人，硕士研究 检测代码模块，在峰值检测模式下，ＡＤＣ采样 生，主要从事核探测器信号的读出电路研究。 率和ＦＰＧＡ中各功能模块的时钟频率保持一 ４３ 图１数字多道系统结构框图 致，以确保ＡＤＣ所采集的信号可以被ＦＰＧＡ实 时接收并处理。本电路系统所选ＡＤＣ芯片的 采样率为４０ ＭＨｚ。ＦＰＧＡ芯片中的ＰＬＬ锁相 环对晶振输入的５０ ＭＨｚ时钟信号做４倍频再 做５分频处理，得到４０ ＭＨｚ时钟信号，该时钟 信号作为ＦＰＧＡ其它功能模块的时钟信号，并 且由ＦＰＧＡ输出驱动ＡＤＣ芯片工作。 该峰值检测算法的设计采用了高低阈值的 方法，峰值检测原理如示意图２所示，第一阈值 高于第二阈值，这样可以减少误判，更准确的找 到输人信号最大值和最小值 。当ＡＤＣ芯 片采集的信号值高于ｘ１点的值时，初始化最 大值寄存器，开始寻找高斯脉冲最大值；若采集 的值大于最大值寄存器中的值，则将该值存储 到最大值寄存器中，否则该寄存器中的值不变； 依次判断之后采集的信号值，找到最大值。当 信号值再次小于下一个脉冲的ｘ２点时，用最 大值寄存器中的值减去最小寄存器中的值，获 得第一个高斯脉冲的幅度值；当信号值再次小 于下一个脉冲的Ｙｌ点时，同理，初始化最小值 寄存器，开始寻找下一个高斯脉冲最小值；依次 循环搜索每个脉冲的最值，然后获取每个脉冲 的幅度值输出。 图２峰值检测原理示意图 ３原理仿真及应用 ３．１输入准高斯信号基线值确定 该数字多道系统的设计使用的ＡＤＣ芯片 选型为ＡＤ９２３５。目前，大多数高性能的ＡＤＣ ４４ 采用模拟差分输人，以此抑制共模噪声、干扰、 同时提高２倍的动态范围以及器件的整体性 能。根据芯片数据手册的推荐，利用差分运放 ＡＤ８１３８将单端输入信号转差分信号输出。 ＡＤ９２３５模拟输人端是一个差分电容采样保持 电路，输入差分信号时获得最佳性能。其模拟 输入范围可以设定为１Ｖｐ—Ｐ和２Ｖｐ—Ｐ，１２位 分辨率，４０ Ｍ采样率。为了保证输人的高斯信 号有效的被采集及利用，可以通过设置ＡＤ８１３８ 及ＡＤ９２３５的某些特定功能引脚，使其产生一 个固定基线，输入信号加载在此基线之上。根 据数据使用手册此固定基线值为１ Ｖ。 使用ＡＤＣ的满量程输入２ Ｖ信号，对应的 量化值是２ 。可以通过计算得到输人１ Ｖ的 信号对应的量化值是２ １３０。用实验室信号发 生器输入１０４ ｍＶ的方波信号给ＡＤ８１３８，使用 ｑｕａ￣ｕｓｌＩ中的内嵌逻辑分析仪实时监测ＡＤＣ 芯片输出接口的电平值，得到的最小量化值在 ２ １３０处上下波动，最大量化值在２ ３１５上下波 动。如图３所示。量化值２ ３１５对应的是输入 方波加载在固定基线之上的最大值１．１ Ｖ， ２ １３０则对应其最小值（固定基线值）１ Ｖ。由此 可以验证ＡＤＣ的输人信号确实是有效的加载 在１ Ｖ的固定基线值上输出。 ｋ善咎１研｛辑１１蕊：掳舶 图３ ＡＤＣ输入信号基线值检测图 表１能谱峰值峰值计数、半高宽、分辨率统计 （Ｃ）、（ｄ）所示。 偏压／Ｖ ２１０ ３ｏｏ ４２０ ５００ ６００ 由上述实验结果可知，噪声、信号幅值，计 峰值 ７０６ ７２４ ７３１ ７３８ ７４４ 峰值计数 ２１０ ３７０ ８００ ２ １５０ ３ ７７３ 数这些因素都直接影响能谱分辨率，在该实验 半高宽 ７５ ７５ ７０ ７６ ９５ 前提下，当所加偏压从２１０ Ｖ上升至４２０ Ｖ的 分辨率／％ １０．６２ １０．３６ ９．５８ １０．２９ １２．７７ 过程中，信号幅值变大，计数更多并起主导作 用，能谱分辨率变好，偏压从４２０ Ｖ上升到６００ 同等实验条件下，在２００、３００、５００、６００ Ｖ Ｖ的过程中，前放信号信噪比变差，噪声起到主 偏压下的获得的能谱图分别如图（ａ）、（ｂ）、 导 Ａｍ－２４ｔ能谱 Ａｍ－２４１能谱 ５ｏｏ ４５０ ４００ ３５０ ３００ ２５０ ２ｏｏ １５０ ｌｏｏ ５Ｏ ０ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ １０００ １２００ 道址 道址 ＾ｍ－２４ｌ能谱 Ａｍ－２４１能谱 ２５ｏ０ ４５００ ４０００ ２ｏｏ０ ３５００ 妊３０００ １５００ ： ２５０ｏ １０ｏ０ ２Ｏ０ｏ １５００ ５ｏ０ １０００ ５０ｏ ０ ０ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ １０００ １２００ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ ｉ０００ １２Ｏ０ 递址 道址 图９ 作用，能谱分辨率逐渐变差。在４２０ Ｖ偏压下 可以知道，该多道系统所测能谱分辨率依然依 检测到的 Ａｍ 射线能谱分辨率最好，可以达 赖于前放系统的信噪比，但在同等条件下，国内 到９．５８％。这正是信号噪声、幅值、计数等因 传统商业数字多道获得的能谱分辨率在１１％ 素折中后对能谱分辨率影响的结果，符合探测 ～１３％，而该数多道分辨率在９％～１３％，该数 器电荷收集理论。同时也验证了该数字多道系 字寻峰算法可以有更高脉冲通过率，获得更好 统可以正常工作，高效的检测到 Ａｍ的主峰 的能谱分辨率。 及副峰，并获得较好的 射线能谱图。 参考文献 ５ 结论 ［１］Ｊｏｒｄａｎｏｖ Ｖ Ｔ，Ｋｎｏｌｌ Ｇ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ 论文完成了该峰值检测技术的理论推导、 ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｉｎｇ ｉｎ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ 模拟仿真和实验验证。该技术采用流水线编程 ［Ｊ］．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ＆Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ，Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ：Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ，Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ，Ｄｅｔｅｃ· 方式将运算步骤分解，逐级运算输出结果。该 ｔｏｔｓ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，１９９５，３５３（１—３）：２６１ 算法可省去传统模拟调理电路中的扣除基线环 —２６４． 节，优点突出。可以根据前放的基线调节阈值， ［２］Ｃｏｓｉｍｏｌｍｐｅｒｉａｌｅ，Ａｌｅｓｓｉｏ Ｉｍｐｅｒｉａｌｅ．Ｏｎ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｐｅｃ－ 采集时间可控，实用性很强，有利于高性能能谱 ｔｒｏｍｅｔｒｙ ｐｕｌｓｅｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｈａｐｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］． 分析系统的工程实现。由最后的实验结果分析 Ｊｏｕｒｎ￣ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｆｅｄｅｒａ－ ４６ ｔｉｏｎ，２００１，３０（１）：４９—７３． ａｎａｌｏｇｉｃａｌ ｇａｍｍａ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ａｔ ｌｏｗ ｃｏｕｎｔ ｒ￣ｅｓ［Ｊ］． Ａｐｐ￣ｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１ １，７３（４）：１２７ —［３］Ｊｏｒｄａｎｏｖ，Ｖａｌｅｎｔｉｎ Ｔ．Ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｅｒ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕ— ｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ： Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ，Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ，Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ １３８． ［８］朱玉玉，焦波，杨民．数字多道中梯形成形算法ＦＰ． ＧＡ实现Ｊ．核电子学与探测技术，２０１４，３４（１）：７８ —Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，２００３，５０５（１—２）：３４７—３５１． ８２． ［４］王磊，庹先国，成毅，等．基于ＤＳＰ的数字多道脉冲 幅度分析器设计［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００９， ２９（４）：８８０—８８３． ［９］王季红，王良厚，房宗良．梯形成形技术在数字多道 系统中的应用［Ｊ］．核电子学与探测技术，２０１１，３１（ ５）：５４３—５４６． ［５］曾卫华，魏秋菊．基于ＦＰＧＡ的数字多道脉冲幅度 分析器设计［Ｊ］．现代地质，２０１２，２６（６）：１３１７— ［１０］高嵩，王颖，高松松，等．数字梯形成形滤波器ＦＰ． ＧＡ实现．核电子学与探测技术，２０１２，３２（儿）： １３２１． １２８９—１２９２． ［６］孙宇，衣宏昌，梁漫春．基于ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的数字多 ［１１］张软玉，周清华，罗小兵．核信号数值仿真方法的 道设计与实现［Ｊ］．核电子学与探测技术，２０１０，３０ 研究及应用［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００６，２６ （１）：１７—２２． （４）：４２１—４２４． ［７］Ｄｕｍｉｔｒｅｓｃｕ，Ａｄｒｉｎａ． Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ａｎｄ ａｎ Ｈｉｇｈ—－ｓｐｅｅｄ Ｐｅａｋ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ＦＰＧＡ ＨＥ Ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉｕ—ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＳＨＩ Ｙａ—ｘｉｎｇ，ＬＵ０ Ｘｉａｏ—ｌｉ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｍｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｔｔａｃｈｅｄ ｔｏ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４ＯＯＯ４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｒｅａｌ ｄｅｍａｎｄ，ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｈｉｓｈ—ｓｐｅｅｄ ｐｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ，ａｎｄ ｗｅ ｕｓｅ ｔｈｅ ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｉｉｇｔｌａ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｐｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｍｏｄｅｌｓｉｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔＯ ｓｉｍｕｌａｔｅ，ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ａｃ— ｃｕｍｔｅｌｙ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｅｘｔｒｅｍｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｖａｌｕｅｓ．Ｔｈｅｎ，ｗｅ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ＣＺＴ ｄｅ－ ｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ Ａｍ ｇａｍｍａ—ｒａｙ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｙｓｔｅｍ．ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｑｕｉｃｋｌｙ ｇｅｔ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ．Ａｎｄ ｂｙ ｓｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｌｅｖｅｌ，ｉｔ ｃａｎ ｔｅｓｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂａｓｅｌｉｎｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｓｉｇｎａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｐｅａｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＦＰＧＡ；ＡＲＭ；ｇａｍｍａ—ｒａｙ ４７