基于LPC2134的多道脉冲幅度分析器设计
时间：10-29
来源：互联网
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2．2 峰值检测电路
峰值检测电路由甄别电路和控制电路两部分构成，甄别电路的作用是检测信号时序，控制电路则根据甄别电路的时序对模拟开关、ADC转换进行控制。控制电路必须跟甄别电路的时序严格结合在一起，才能完成峰值检测任务。
由于核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比，因此，测量这些脉冲的幅度，就可以知道辐射的能量。可见，脉冲幅度测量技术在核能谱测量中是一个重要的问题。甄别电路需要解决三个与信号相关的信息：一是超过阈值信号的信息；二是过峰时间信息，即启动ADC转换的时间信息；三是ADC完成转换的时间信息。甄别电路中也存在三个关键问题，研究中要予以注意：
首先，由于放大器输出的α和γ射线脉冲宽度比较窄(约1μs到5μs)，而本系统选用的ADC转换速度为10μs，所以，要对脉冲信号峰值进行峰值展宽。采样保持电路要求采样速度快，以使保持时间能达到ADC采样时间指标。
其次，由于脉冲信号的随机性，为了防止信号来的过密而引起漏计，本系统采用10μs转换速度的ADC，所以，从理论上分析，如果两个信号相隔10μs内，则会引起漏计。而由于CPU处理速度等问题的存在，实际上，这个时间间隔可能长3～10倍，即在30～100μs之间(根据CPU处理速度及代码量而定)，甚至更多，也就是说，实际信号出现这种情况的几率很少，所以，可以忽略这个问题。
另外，还要解决信号过密而引起的幅度信号错误纪录，而高能区的信号也可能被误计为低能区的信号，容易引起低能计数偏大而高能计数偏小的问题。
图2所示是甄别电路和控制电路的原理图。甄别电路的主要功能是完成过峰检测和去除信号噪声，可通过设定闭值将信号中能量小于阀值的噪声去。峰值通过后，提供信息给控制电路；控制电路的主要功能是完成对A/D读入／转换状态的控制。控制电路可由74HC74触发器构成。
甄别和控制电路具体工作过程是，先由嵌入式微处理器控制中心给控制电路发出信号，以使控制电路处于工作状态，当脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后，由甄别电路进行甄别，并在过峰值后，将峰值通过的时间信息提供给控制电路；此后由控制电路启动模数转换，数模转换完毕，再由嵌入式微处理器控制中心产生中断，同时使控制电路停止工作，同时进行相应的数据处理；中断完毕，再由单片机发信号使控制电路重新处于工作状态。
采样开始时，先由ARM通过控制74HC74来启动A／D，然后，使U2A的RD和U2B的RD及SD端输出高电平，控制电路处于接收信号状态。当信号上升沿的能量低于设定的闭值电压时，U2A的CLK端为低电压，此时，U2A的RD和SD端均为高电平，输出端5脚保持原来的低电平不变。当信号上升沿的能量高于设定的闭压值时，U2A的CLK端为高电压，输出端5脚输出高电平，启动U2B。当脉冲没有达到峰值时，比较器U1B的同相输入端电压低于反相输入端电压，6端输出低电压，当过峰后，6端输出高电平，R／C输出低电平以启动A／D转换。转换完毕后，由ARM重新控制A／D进行下一个脉冲信号的采集。甄别电路和控制电路的工作流程如图3所示。
2．3 模数转换电路
模数转换电路的作用是将模拟量转换成数字量，并将转换结果反馈给微控制器。多道脉冲幅度分析器主要用于快速、高精度地对输入的核脉冲信号进行采样，并将脉冲的幅度值转换成微控制器所能够处理的数字量。模数转换电路作为多道脉冲幅度分析器的关键部件，其性能的好坏直接影响整个系统的能量分辨率和转换精度等参数。综合对多道脉冲幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如转换速度，功耗，转换精度)等考虑，本系统选用AD公司的AD7994，并在实际工作中采用“并道”的方法，每4道并作l道，则道宽非线性即可降低至原来的1／4。这种方法可降低由于ADC本身造成的非线性误差。其具体电路设计见图4所示。
2．4 ARM微控制器外围电路设计
LPC2134是具有全双工通信能力的串行外设接口芯片(SPI)。一个SPI总线可以连接多个从器件和多个主器件，但是在同一时刻，则只允许有一个主机操作总线。本系统利用SPI接口来扩展Flash存储器。Flash存储器选用ATMEL公司的AT45DB041。ARM与串行Flash芯片AT45DB041的连接电路如图5所示。
本系统中，ARM工作在主机方式。由于ARM工作在主机方式时，若SSEL引脚为低电平，则将禁止SPIO模块工作。所以，为了系统可靠的工作，虽然这里该引脚未用，仍需将它通过上拉电阻接在电源上。串行Flash芯片AT45DB041的CS片选端由ARM控制。WP为写保护端，若使能，则存储器的前256页将不能擦除重写。由于本系统不需要此功能，因此，此脚直接接高电平。由于微处理器的存储容量有限且运算功能不强，故在对数据进行较复杂的处理时，往往需要借助计算机系统。因为串行通讯具有所用传输线少，适合于远距离传输等特点，所以本系统采用串口来连接计算机和微控制器。串口通信的硬件电路如图6所示。串口信号TXD和RXD直接和LPC2134的串行口相连接。
峰值检测电路由甄别电路和控制电路两部分构成，甄别电路的作用是检测信号时序，控制电路则根据甄别电路的时序对模拟开关、ADC转换进行控制。控制电路必须跟甄别电路的时序严格结合在一起，才能完成峰值检测任务。
由于核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比，因此，测量这些脉冲的幅度，就可以知道辐射的能量。可见，脉冲幅度测量技术在核能谱测量中是一个重要的问题。甄别电路需要解决三个与信号相关的信息：一是超过阈值信号的信息；二是过峰时间信息，即启动ADC转换的时间信息；三是ADC完成转换的时间信息。甄别电路中也存在三个关键问题，研究中要予以注意：
首先，由于放大器输出的α和γ射线脉冲宽度比较窄(约1μs到5μs)，而本系统选用的ADC转换速度为10μs，所以，要对脉冲信号峰值进行峰值展宽。采样保持电路要求采样速度快，以使保持时间能达到ADC采样时间指标。
其次，由于脉冲信号的随机性，为了防止信号来的过密而引起漏计，本系统采用10μs转换速度的ADC，所以，从理论上分析，如果两个信号相隔10μs内，则会引起漏计。而由于CPU处理速度等问题的存在，实际上，这个时间间隔可能长3～10倍，即在30～100μs之间(根据CPU处理速度及代码量而定)，甚至更多，也就是说，实际信号出现这种情况的几率很少，所以，可以忽略这个问题。
另外，还要解决信号过密而引起的幅度信号错误纪录，而高能区的信号也可能被误计为低能区的信号，容易引起低能计数偏大而高能计数偏小的问题。
图2所示是甄别电路和控制电路的原理图。甄别电路的主要功能是完成过峰检测和去除信号噪声，可通过设定闭值将信号中能量小于阀值的噪声去。峰值通过后，提供信息给控制电路；控制电路的主要功能是完成对A/D读入／转换状态的控制。控制电路可由74HC74触发器构成。
甄别和控制电路具体工作过程是，先由嵌入式微处理器控制中心给控制电路发出信号，以使控制电路处于工作状态，当脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后，由甄别电路进行甄别，并在过峰值后，将峰值通过的时间信息提供给控制电路；此后由控制电路启动模数转换，数模转换完毕，再由嵌入式微处理器控制中心产生中断，同时使控制电路停止工作，同时进行相应的数据处理；中断完毕，再由单片机发信号使控制电路重新处于工作状态。
采样开始时，先由ARM通过控制74HC74来启动A／D，然后，使U2A的RD和U2B的RD及SD端输出高电平，控制电路处于接收信号状态。当信号上升沿的能量低于设定的闭值电压时，U2A的CLK端为低电压，此时，U2A的RD和SD端均为高电平，输出端5脚保持原来的低电平不变。当信号上升沿的能量高于设定的闭压值时，U2A的CLK端为高电压，输出端5脚输出高电平，启动U2B。当脉冲没有达到峰值时，比较器U1B的同相输入端电压低于反相输入端电压，6端输出低电压，当过峰后，6端输出高电平，R／C输出低电平以启动A／D转换。转换完毕后，由ARM重新控制A／D进行下一个脉冲信号的采集。甄别电路和控制电路的工作流程如图3所示。
2．3 模数转换电路
模数转换电路的作用是将模拟量转换成数字量，并将转换结果反馈给微控制器。多道脉冲幅度分析器主要用于快速、高精度地对输入的核脉冲信号进行采样，并将脉冲的幅度值转换成微控制器所能够处理的数字量。模数转换电路作为多道脉冲幅度分析器的关键部件，其性能的好坏直接影响整个系统的能量分辨率和转换精度等参数。综合对多道脉冲幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如转换速度，功耗，转换精度)等考虑，本系统选用AD公司的AD7994，并在实际工作中采用“并道”的方法，每4道并作l道，则道宽非线性即可降低至原来的1／4。这种方法可降低由于ADC本身造成的非线性误差。其具体电路设计见图4所示。
2．4 ARM微控制器外围电路设计
LPC2134是具有全双工通信能力的串行外设接口芯片(SPI)。一个SPI总线可以连接多个从器件和多个主器件，但是在同一时刻，则只允许有一个主机操作总线。本系统利用SPI接口来扩展Flash存储器。Flash存储器选用ATMEL公司的AT45DB041。ARM与串行Flash芯片AT45DB041的连接电路如图5所示。
本系统中，ARM工作在主机方式。由于ARM工作在主机方式时，若SSEL引脚为低电平，则将禁止SPIO模块工作。所以，为了系统可靠的工作，虽然这里该引脚未用，仍需将它通过上拉电阻接在电源上。串行Flash芯片AT45DB041的CS片选端由ARM控制。WP为写保护端，若使能，则存储器的前256页将不能擦除重写。由于本系统不需要此功能，因此，此脚直接接高电平。由于微处理器的存储容量有限且运算功能不强，故在对数据进行较复杂的处理时，往往需要借助计算机系统。因为串行通讯具有所用传输线少，适合于远距离传输等特点，所以本系统采用串口来连接计算机和微控制器。串口通信的硬件电路如图6所示。串口信号TXD和RXD直接和LPC2134的串行口相连接。