摘要：在核监测中，常将各种传感器输出的信号经过A/D转化器转化为数字信号，然后运用数字信号处理技能对各种核信号进行数字处理。为了精确丈量核信号数字波形的各种参数，对根据FPGA双口RAM的数字示波器进行了规划和测验剖析。试验标明，该数字示波器能精确获取核信号的数字渡形及各种参数的值，可对核信号的波形进行录制、回放和精确剖析，为核监测及其仪器精确规划供给有力的确保。
福岛核事故促进了核监测仪器的飞速发展。在核爆监测中，需对核辐射的各种信号如光辐射、放射线感染、冲击波、电磁辐射等进行丈量，经过丈量这些信号的时刻、起伏和信号波形信息，判别核爆炸的时刻、方位、办法和当量等。为了将信号存储、剖析及各种数学处理，需求将核信号转化为数字信号。根据FPGA的数字存储示波器能够完结核信号的收集、存储及各种处理，获取核信号的各种参数，输出报警信息，再将获取的信号经过GPRS、斗极1和数传电台等多种办法传送至指挥中心，为核监测决议计划供给数据支撑。下面就根据FPGA双口RAM的数字存储示波器进行规划研讨。
1 FPGA简介
现场可编程门阵列(FPGA)是在专用集成电路(ASIC)的基础上发展起来的一种新式逻辑器材，是当今数字体系规划的首要硬件渠道。其首要特色便是完全由用户经过软件进行装备和编程，然后完结某种特定的功用，且能够重复擦写。在修正和晋级时，不需额外地改动PCB电路板，只要在PC机上修正更新程序，使硬件规划作业成为软件开发作业。
经过编程能够马上把一个通用的FPGA芯片装备成用户需求的硬件数字电路，因此大大加速电子产品的研制周期，下降研制本钱，缩短产品上市时刻。FPGA具有高密度(一个器材内部可用逻辑门可达数百万门)，运转速度快(管脚间的延时小，仅几个纳秒)的特色。用FPGA规划数字电路能够简化体系规划，缩小数据规划，进步体系的稳定性。FPGA不只能够处理电子体系小型化、低功耗、高牢靠性等问题，并且开发软件投入少、芯片价格不断下降，这使得FPGA占有越来越多的商场，特别是对小批量、多种类的产品需求，使FPGA成为首选。一起FPGA的Inte llectual Property(IP)越来越被高度重视，带有IP内核的功用块在ASIC规划渠道上的运用日益广泛。尤其是FPGA很便利规划各模块并行处理，极大地进步信号处理速度。因为FPGA的上述长处，根据FPGA的各种仪器规划技能得到了越来越广泛的运用。
2 根据双口RAM的数字示波器规划
2.1 根据双口RAM的数字示波器的规划原理
核辐射勘探传感器将核辐射的各种信号转化为电信号，该电信号为模仿信号，然后扩大、成形等电路对模仿信号进行恰当的调度，高速A/D转化器将模仿信号转化为数字信号，FPGA对该数字信号进行数字滤波、存储等处理。根据双口RAM的数字示波器原理图如图1所示。
2.2 模/数转化电路
要对核信号进行精确的数字剖析处理，就需求对核信号进行精确的数字取样，取样频率越高，取样成果越精确。AD9244是Analog Devi ce公司出产的14位高速高精度模/数转化器，具有750 MHz输入带宽，选用流水线技能，每个脉冲可进行一次A/D改换，最高答应抽样速率到达65 MHz。它专门运用于峰峰值小于2 V的小信号模/数转化体系，其最大的特色是体积小、功耗低、精度高。输入模仿量在-1～1 V之间时，溢出位为0，输入模仿电压为-1 V时，输出14位数字量为00000000000000;输入模仿电源为0 V时，输出数字量为10000000000000;输入模仿量为1 V时，输出数字量为11111111111111。输入模仿量低于-1 V时，溢出位为1，输出数字量为00000000000000;输入模仿量高于1 V时，溢出位为1，输出数字量为11111111111111。A/D取样示意图如图2所示。NaI(T1)闪耀体勘探器核脉冲信号经扩大整形后输出近高斯波形模仿信号，再经8138转化为差分模仿信号进入AD9244，FPGA输出50 MHz时钟信号ADC_CLK到AD9244作为ADC的时钟源，AD9244则输出50 MHz 14位数字信号及1位溢出位信号到FPGA，完结模仿核脉冲信号的高速采样。每个ADC_CLK脉冲，ADC完结一次模/数改换。
2.3 双口RAM IP核定制
存储核监测数字信号既能够运用FPGA内部的FIFO存储器，也可运用内部RAM存储器。FIFO存储器操控简略，运用便利，但要拜访存储数据的中心数值不很便利;RAM存储器运用更灵敏，能够运用地址来处理RAM中的任何一个数据。在FPGA内部，RAM有两种类型，分别是BlockRAM和Distribute RAM。其间Block RAM为硬件RAM，会集散布在FPGA内的一个区域，运用Block RAM存储数据时，不占用其他逻辑资源。Distribu te RAM是由FPGA内的逻辑元件综组成的存储单元，广泛散布在FPGA的各个区域，离逻辑单元电路较近，用于存储各逻辑电路处理的信号。数字示波器存储的波形数据量较大，所以在双口RAM选用Block RAM完结。
AD9244输出的数字信号为14位，所以RAM的数据宽度设置为16位，双口RAM数据读、写可选用相同的时钟操控;波形存储深度设定为1 024，即双口RAM存储1 024个采样点数据，所以双口RAM存储器共占用16 Kb RAM空间。因为核仪器作业在高辐射污染区，人员一般不能进入，通讯一般选用无线通讯办法，所以数据常选用串口通讯办法。双口RAM数据直接经串口输出的原理图如图3所示。双口RAM数据经FSL总线由Microblaze处理器输出原理图如图4所示。A口用于RAM信号存储，数据宽度16位，深度1 024。B口用于RAM数据输出，若用ISE编写串口程序，B口数据宽度为8位，深度2 048;若选用PLB或FSL总线IP核办法，B口数据宽度定制为16位(16位RAM数据加载到32位总线的低16位上，总线高16位补零)，深度为1 024。
2.4 数字波形数据存储及波形输出
FPGA双口RAM(Dual RAM)数据输出操控可选用多种形式：存满输出形式、守时输出形式和波形参数触发形式，可用串口指令操控各形式间切换。存储满形式作业原理为Dual RAM存储1 024点数据和串口输出数据替换作业，每存储满一次数据就经过串口输出数据，串口输出完数据后从头收集和存储数据;守时输出为Dual RAM存储1 024采样点数据，存储满后待守时信号，设定每几秒输出一次波形数据;脉冲波形参数触发形式类似于通用数字存储示波器的输出触发形式，在波形数据写入RAM前对波形参数(如脉冲幅值、脉冲形状、脉冲宽度等)数据进行提取，当波形参数在需求的规模时，FPGA输出数字波形，该形式能够收集并输出指定参数的脉冲信号，能够对核爆炸的光辐射、电磁脉冲、冲击波、放射线感染等各种效应信号波形进行录制、回放和精确剖析，然后完结核爆的主动监测和辨认。
3 对核脉冲信号进行测验剖析
运用示波器可对核爆炸γ射线、光辐射、冲击波等传感器信号进行波形存储，经过存储信号特征参数判别核爆炸办法。示波器收集的NaI(T1)勘探器经成形后的近高斯核脉冲信号如图5所示。将脉冲数字波形用OREC谱剖析软件进行剖析，因为输出的值是数字多道作业的实践值，比用通用示波器更精确，可进行更精确的剖析。
脉冲波形形状：图5所示波形和通用数字示波器输出波形共同，为近高斯波形，图画更明晰，是判别成形电路信号成形质量的重要依据。该波形丈量办法是在强辐射环境下调查和剖析脉冲堆积的很有用办法及堆积判弃处理的重要依据。从图5还可看出，脉冲波形下冲偏大，需对探头扩大成形电路进行调理，减小高斯成形电路的下冲。可根据脉冲的形状(混叠状况)初步判别放射源的强弱。图5所示，波形为示波器接连采得两个核脉冲信号。波形图中若测得脉冲波形密布，或呈现脉冲堆叠，则阐明源较强;若脉冲稀少，则源较弱。
基线值丈量：该数值是探头扩大成形电路调理和数字多道基线扣除的重要依据。图5中可读出基线均值为1 072，基线值的规模是1 069～1 074，动摇巨细为5，本次丈量波形基线值偏大，需求对探头进行调理或在数字多道中对基线值进行扣除。
脉冲宽度丈量：该值是抗搅扰规划和根据脉宽丈量反堆积的重要依据。可读出正脉冲(高于基线均值的取样点)共约125左右个取样点，脉宽为2.5μs，能够计算出核脉冲成形的宽度。假如脉冲宽度过小，则可能是搅扰信号;过大可能是脉冲堆积信号。
脉冲幅值丈量：该值是数字多道脉冲起伏剖析器规划最重要的数据。可读出两个脉冲数字波形的最大值分别为1 384和1 381，扣除基线值后幅值为312和309;最大值左、右两个采样点的值与峰值差值也小于基线动摇值，阐明在该采样频率下，用逐点比较冒泡法提取起伏值是牢靠的。脉冲起伏巨细可根本看出射线的能量，从丈量看出，幅值为312，对应为312道，经过数字多道能谱剖析，其能量约660 keV，和波形测验用的放射源共同。所以从波形的起伏规则，可大致看出放射源首要是什么核素。
脉冲幅值时刻丈量：可读出在脉冲到来后的第66个采样点获取最大值。
噪声丈量及抗噪处理：从图5波形还可看出，信号中存在必定的噪声，所以在数字多道处理时，可用DSPIP核对脉冲波形进行数字滑润处理，一起可经过设定必定的噪声容限，幅值低于噪声容限的都看作噪声，高于噪声容限的信号才可能是有用信号，对数字多道进行抗搅扰处理。
脉冲波形和起伏谱比较剖析：由图5信号源高斯波形替代核脉冲信号，可用该示波器的波形图和起伏谱图比照，比较脉冲起伏和起伏谱数据，能够对数字多道能谱仪的精确性进行测验验证。
4 结语
总归，运用根据FPGA的数字示波器，能很好地显现、存储和剖析核信号，是核仪器的重要技能之一，有较大的运用价值。该规划运用VHDL对FPGA进行编程，并在编程中广泛选用并行和流水线技能，完结了信号高速处理;运用Block RAM定制双口RAM存储波形数据，大大节省了逻辑资源的运用。
