CN110779942B - 一种适用于x荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器 - Google Patents

一种适用于x荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器 Download PDF

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Abstract

本次公开一种适用于X荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器，硬件主要包括高速ADC电路、FPGA电路和DSP电路。FPGA控制高速ADC对探测器的信号进行采样，采样后的数字化信号在FPGA中进行脉冲成形，分别形成快通道和慢通道，快通道是较窄的脉冲，用于提取探测器信号的时间信息，慢通道是较宽的脉冲，用于提取探测器信号的幅度信息。在FPGA中对成形后的脉冲进行堆积判断，不堆积的脉冲在FPGA中判断幅度，形成能谱数据存储于FPGA中，对于堆积的脉冲FPGA将时间信息和脉冲数据发送到DSP，在DSP中对堆积在一起的脉冲进行堆积恢复运算，形成堆积脉冲的能谱，最终将FPGA中的能谱和DSP中的能谱加到一起，便是脉冲堆积恢复的能谱。本发明可以实现在X荧光分析时同时提高能谱计数率和能量分辨率。

Description

一种适用于X荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅 度分析器
技术领域
本发明涉及一种脉冲堆积恢复的随机脉冲多道幅度分析器，具体涉及一种X射线探测器信号能谱采集的多道脉冲幅度分析器。
背景技术
我国冶金、有色金属、矿山、建材等众多领域的生产过程中，原料中各元素的配比对产品质量起着关键作用。目前基于专利技术“在流检测多元素分析装置及方法”（专利号：200710010105.5）的在流X荧光多元素分析仪器已经很好的实现了对料流的各组成元素含量的实时检测,摆脱了人工取样后再进行化学分析的烦琐程序,大大提高了生产效率。
该仪器中获取X射线能谱的电路主要采用模拟多道脉冲幅度分析器，而模拟多道脉冲幅度分析器和探测器之间还需要放大成形电路，电路结构复杂。X射线探测器输出的脉冲信号幅度和时间是随机，而成形后的脉冲又是有一定宽度的，这就导致部分脉冲会堆积在一起，在放大成形电路中有脉冲堆积的判断电路，当脉冲堆积时放大成形电路屏蔽此信号，禁止堆积信号输出到模拟多道脉冲幅度分析器中，此方法可以有效的去掉堆积脉冲对能谱质量的影响，但是输出计数率损失较大。
在工业现场有需要测量低品位料流的情况，为了提高测量精度和满足应用需求，需要加大放射源的剂量，来提高料流中各元素能谱的计数率。由于脉冲堆积的影响加大放射源剂量会导致死时间的增大，能谱计数率的增加有限，而且加大放射源剂量也不利于放射源的管理和放射性安全的防护。
发明内容
本发明提供一种适用于X荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器，目的是解决上述技术的不足。
解决上述问题所采用的具体技术方案是：
本发明采用数字多道脉冲幅度分析技术，主要以数字信号处理技术和数学算法在单板电路上完成能谱获取，硬件电路主要包括高速ADC、FPGA电路和双核DSP电路，所述的高速ADC、FPGA电路和双核DSP电路依次连接，ADC的采样频率是80MHz。X射线探测器信号经过微分和适配电路后由高速ADC采集，数字化后的探测器信号在FPGA中进行滤波、快慢通道成形、基线恢复、堆积判断，没有堆积的脉冲信号在FPGA中进行幅度分析形成能谱数据。其中双核DSP包含一个DSP内核和一个ARM内核，DSP内核用于计算，ARM内核用于通信、参数配置和***控制。
快通道采用三角形成形，将探测器信号成形为5个采样点的三角形脉冲信号，用快通道的三角形脉冲来提取探测器信号的时间信息。假设探测器信号时间信息是Nt，即Nt代表脉冲的产生时间，通常Nt=0，当判断到三角形脉冲的最大值时赋值Nt=1，Nt=1持续一个采样周期后赋值Nt=0。慢通道采用梯形成形，梯形宽度可调，用慢通道中的梯形来进行脉冲幅度分析。
堆积的脉冲在FPGA中和时间信息存储在一起，由FPGA将堆积脉冲信息数据同时发送到DSP，在DSP中使用堆积恢复算法分析堆积脉冲的幅度，从而得到堆积脉冲恢复后的能谱数据，FPGA中的能谱和DSP中的能谱按对应道址相加得到最终能谱。
FPGA向DSP发送堆积脉冲和时间信息的数据格式是16位的，其中第0位到第13位表示堆积脉冲信号数据，第14位表示时间信息（1有效），第15位表示连续堆积的脉冲信号结束（1有效）。
梯形脉冲是否堆积通过判断两个脉冲之间的间隔时间来实现，假设慢通道梯形脉冲的上升沿的采样点数是Mf,平顶的采样点数是Mt,相邻两个梯形脉冲的间隔点数是Md。当Md<Mf+0.5×Mt时，认为两个梯形脉冲堆积了。当Md≥Mf+0.5×Mt时，认为两个梯形脉冲没有堆积。
没有堆积的脉冲在FPGA中进行脉冲幅度分析，得到能谱数据，并将能谱数据存储在FPGA里的存储器DPRAM模块中。堆积的脉冲送入到双核DSP中，双核DSP是由一个DSP内核和一个ARM内核组成，DSP内核用于计算，ARM内核用于通信、参数配置和***控制。在DSP内核中通过矩阵运算，恢复出堆积脉冲的幅度，堆积恢复算法是假设有n个脉冲堆积在一起，n≥2，且这n个脉冲的出现时间已知，构建一个标准信号的堆积矩阵X=[x1 x2 ...... xn]，500行，n列。定义矩阵A=[a]为n个堆积恢复的脉冲的幅度，矩阵A有n行，1列。定义矩阵Y=[y]为实际采集到的脉冲数据，矩阵Y有500行，1列。堆积脉冲的幅度值矩阵A=X-1*Y，即[a]= [x1x2 ...... xn]-1*[y]，得到n个堆积的脉冲幅度为a1,a2,.......,an。分析堆积脉冲的幅度得到的能谱数据存储在ARM内核的RAM中，ARM中的能谱数据和DSP中的能谱数据按对应道址相加，得到完整的能谱数据。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：采用数字多道脉冲幅度分析技术，提高***的可靠性和稳定性；对堆积的脉冲进行恢复，保证能量分辨率的同时，提高了能谱的计数率。
附图说明
图1 本发明的工作原理示意图；
图2 标准脉冲的波形；
图3 堆积脉冲和分解出脉冲的波形；
图中：1为信号调理，2为高速ADC，3为FPGA，4为慢通道，5为幅度分析模块，6为DPRAM存储器，7为快通道，8为堆积判断模块，9为存储器FIFO，10为双核DSP,11为DSP内核，12为ARM内核。
具体实施方式
如图1是一种适用于X荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器，信号调理电路（1）将X射线探测器输出的脉冲信号微分得到单指数衰减信号，高速ADC（2）为最大210MHz采样频率的AD9430数模转换器，本发明使用的采样频率是200MHz，采样周期为5ns，FPGA（3）选用EP4C30，完成脉冲幅度分析的大部分功能，慢通道（4）将探测器信号成形为宽度可调的梯形脉冲，快通道（7）将探测器信号成形为5个采样点宽度的三角形脉冲，用于提取探测器信号的时间信息，堆积判断模块（8）根据探测器信号的时间信息判断梯形脉冲是否堆积，幅度分析模块（5）根据脉冲堆积判断的结果，对于没有堆积的梯形脉冲分析得到的能谱数据存储与DPRAM存储器（6）中，对于堆积的梯形脉冲将时间信息和脉冲数据存储于存储器FIFO（9）中，双核DSP（10）选用F28M36,包含一个DSP内核（11）和一个ARM内核（12），DSP内核（11）通过EPI总线接口读取存储器FIFO（9）中的脉冲时间信息和脉冲数据，运用堆积恢复算法计算堆积各个堆积脉冲的幅度，幅度值发送给ARM内核（12）得到堆积脉冲的能谱数据，ARM内核（12）读取DPRAM存储器（6）中的能谱数据和堆积脉冲的能谱数据按对应道址相加得到完整的能谱数据，最终能谱数据由ARM内核（12）发送到上位机，用于元素含量分析。
本发明的具体脉冲堆积恢复的过程是：为了降低堆积恢复的计算量在FPGA（3） 中对堆积的脉冲进行了抽取运算，将采样频率降为40MHz。图2是标准脉冲的波形图，图3是堆积脉冲和分解出的脉冲的波形图。标准脉冲是存储在DSP中的，DSP从FPGA中读取脉冲时间信息和堆积脉冲数据，首先构建标准脉冲矩阵X=[x1 x2]，矩阵X有500行，2列，这2列数据是按时间信息指定的脉冲位置存放的如图2的标准脉冲数据。实际采集到的堆积脉冲矩阵Y=[y]，矩阵Y有500行，1列，这1列存放的是如图3的堆积脉冲数据。在DSP中实现矩阵运算X-1*Y得到矩阵A，矩阵A中有2行，1列，2行数据分别是a1和a2，a1和a2即是图3中解出的堆积在一起的脉冲1和脉冲2的幅度值。

Claims (2)

1.一种适用于X荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器，其特征在于：
硬件电路主要包括高速ADC、FPGA电路和双核DSP电路，高速ADC、FPGA电路和双核DSP电路依次连接，双核DSP包含一个DSP内核和一个ARM内核，DSP内核用于堆积恢复矩阵计算，ARM内核用于通信、参数配置和***控制；
X射线探测器信号经过微分和适配电路后由高速ADC采集，数字化后的探测器信号在FPGA中进行滤波、快慢通道成形、基线恢复、堆积判断，没有堆积的脉冲信号在FPGA中进行幅度分析形成能谱数据；
所述的堆积恢复算法是假设有n个脉冲堆积在一起，n≥2，且这n个脉冲的出现时间已知，构建一个标准信号的矩阵X=[x1 x2 ...... xn]，500行，n列，标准信号是由20个采样信号平均得到的；定义矩阵A=[a]为n个堆积恢复的脉冲的幅度，矩阵A有n行，1列；定义矩阵Y=[y]为实际采集到的脉冲数据，矩阵Y有2000行，1列；堆积脉冲的幅度值矩阵A=X-1*Y，即[a]=[x1 x2 ...... xn]-1*[y]，得到n个堆积的脉冲幅度为a1,a2,.......,an。
2.如权利要求1所述的一种适用于X荧光多元素分析仪的堆积恢复数字多道脉冲幅度分析器，其特征在于：
堆积的脉冲在FPGA中和时间信息存储在一起，由FPGA将堆积脉冲信息数据同时发送到DSP，在DSP中使用堆积恢复算法分析堆积脉冲的幅度，从而得到堆积脉冲恢复后的能谱数据，FPGA中的能谱和DSP中的能谱按对应道址相加得到最终能谱；
所述的时间信息是由成形模块中的快通道得到，快通道使用的是三角形成形，将探测器信号成形为5个采样点的三角形脉冲信号；假设探测器信号时间信息是Nt，通常Nt=0，当判断到三角形脉冲的最大值时赋值Nt=1，Nt=1持续一个采样周期后赋值Nt=0。
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