專利名稱：多路模擬信號峰值實時檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多路模擬信號峰值實時檢測系統，用于核輻射能量的檢測，屬信
號檢測及處理技術領域。
背景技術：
在核物理實驗中，多道脈沖幅度(峰值)分析系統已被廣泛應用于測量核射線輻 射能譜，現有的多道脈沖幅度分析器多以8/16位單片機構成控制系統，其缺點是采集速度 低，只適合于低速采集數據，其采集速度由于其工作頻率太低而受到限制，不能滿足時間精 確度要求較高的實驗。較為先進的數據采集系統是基于FPGA開發的，雖然基本解決了數據 采集速度的問題，但其電路較復雜、集成度較低、設計和調試難度較大、系統升級困難等缺 點使得其在應用受到了限制。 隨著電子技術的快速發展，更多新型的低功耗、高集成度器件現已被廣泛應用于 核數據采集系統當中。32位ARM嵌入式處理器具有高性能、低功耗的特性，并且具有可編 程性和可操作性，能支持較為復雜的程序設計，已被廣泛應用于消費電子產品、無線通信和 網絡通信等領域。它的出現也為核數據采集系統提高精度和速度提供了很好的硬件平臺基 礎。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種能同時支持20路數據采集的 多路模擬信號峰值實時檢測系統。 本發明選擇基于ARM9的峰值數據采集和PC機數據處理的技術路線，提出了信號 預處理、A/D轉換后的數據壓縮及傳輸、采集數據下載、數據分析、存儲和圖形化顯示的方 法。 本發明使用了硬件方式判別信號峰值、AD9220為數模轉換，以ARM9(S3C2410芯 片)和實時Li皿x為采集峰值數據存儲，100MbaseT以太網作為通信技術，以遠端PC做系統 設置和實時數據處理，解決各類多道脈沖幅度分析器采集速度低、時間精確度低等問題；實 現了隨機信號峰值時間分辨率高達lus分辨率，模數轉換精度高達5mV，最短采集時長高達 10ms，支持外觸發信號和外部命令啟動兩種工作模式，能夠支持20路采集數據的處理。
本發明通過如下技術方案實現 多路實時模擬信號峰值檢測系統由基于ARM9的數據采集子系統和PC機數據處理 子系統組成。多路模擬信號峰值實時檢測系統的硬件由信號預處理模塊、峰值判別模塊、 ARM9數據處理模塊、以太網交換機模塊和PC機模塊組成，其連接結構為分離式模塊結構； 軟件由基于ARM9的實時數據處理模塊和基于PC機的可視化數據處理模塊組成；其中
(1)峰值采集電路主要由信號預處理電路、信號峰值判別及A/D轉換電路組成。其 主要功能是將輸入的模擬信號經硬件電路判為峰值后，向CPU發出中斷請求，將其轉換的 數字信號由CPU存貯到存儲器中，如圖1和圖6。采用硬件電路判峰，保證了 A/D轉換電路2/3頁
準確快速地采集到核脈沖的幅度，不會造成丟峰現象。 (2)硬件判斷有峰出現時，立即輸出中斷信號到ARM CPU，從A/D轉換器讀取采集 到的峰值，并在下一峰到來之前及時地將數據轉移到數據采集子系統的SDRAM中，最后存 儲在大容量SD卡中，如圖2所示。 (3)中斷處理程序采用內核級編程，數據采集中斷信號采用了最高優先級的外部 中斷。內核級編程和最高優先級的中斷使整個中斷服務程序不被其他系統進程干擾，有效 的確保采集的準確性，防止了丟峰現象的發生。 (4)采用三級緩沖方式對采集的數據進行壓縮，即使用三個4kB緩沖器Bufferl、 Buffer2和Buffer3，避開數據采集和數據轉存之間發生的沖突。緩沖器數據存取設計為長 4字節、高1024的大小，這樣來自底層A/D的數據就能按1-1024進行分類壓縮，每一類存放 的最大值為216，有效地降低了數據量，實現高速長時采集。 (5)采用以時間片為單元的數據結構進行峰值數據存儲。由于本系統應用于核脈 沖信號分析實驗，其輸入本系統的信號是強度、時間具有隨機性的電平信號，而實驗要求的 數據采集結果是在一個給定的時間片段內所出現脈沖電平高低的統計量。因此，我們采用 了以時間片為單元的數據結構，如要求采樣粒度為10ms，則對每10ms內出現的脈沖分布進 行一次統計，統計結果存于一個整形數組中，數組按次序排列，以二進制文件的形式保存。
(6)需要配置的數據包括工作方式、room時長、room數，見圖3。在通常的核輻射能 量測量中，時長一般在10分鐘以內，最小room時長(最高時間分辨率)為10ms，最大room 時長(最低時間分辨率)為100ms。HARD/SOFT :HARD表示外觸發信號啟動數據采集；SOFT表示命令啟動數據采集。
SPARKLE :多道數據采集標志。 Room數表示數據采集的時間分辨率，用4字節表示。 Room時長表示數據采集的時間片，用1字節表示，在10-100mn之間，間隔為 10ms。 本發明最大數據采集時長為10分鐘，按最高分辨率10ms計算，最大Room數為 6X104。 本發明與現有的技術相比具有以下優點 (1)采用硬件判別模擬信號峰值，減小了對ARM處理器處理能力的要求，能實現小 時間片的數據采集和統計，減小了系統實現的難度； (2)采用多線程管理，能同時實現多路信號的實時采集和處理，系統易于擴展。
(3)可視化顯示，使用戶能任意瀏覽采集到的每個通道的數據分布圖形和主要參 數。
圖1為本發明峰值采集硬件流程圖。
圖2為本發明數據存儲流程圖。
圖3為本發明配置參數圖。
圖4為本發明系統結構原理框圖。
圖5為本發明單通道外觸發信號啟動圖。
圖6為本發明峰值采集硬件電路圖。 具體實施方案 本系統主要分為基于ARM9的數據采集子系統與PC機數據處理子系統兩大部分。 數據采集子系統完成信號預處理、A/D轉換、數據壓縮及傳輸；PC機數據處理子系統完成與 數據采集子系統的通信，將文件下載到本地，并實現數據分析、存儲和圖形化顯示，系統結 構如圖4所示。 多路模擬信號峰值實時檢測系統硬件由信號預處理模塊、峰值判別模塊、ARM9數 據處理模塊、以太網交換機模塊和PC機模塊組成；軟件由基于ARM9的實時數據處理模塊和 基于PC機的可視化數據處理模塊組成。
下面結合附圖及實例對本發明做進一步闡述 (1)預處理電路+A/D完成峰值的硬件采集，通過中斷和ARM總線將數據暫存在
ARM系統中的SD卡上，隨后由PC通過100MbaseT下載到本地進行處理。 (2) ARM開發平臺采用Li皿x2. 4實時操作系統作為控制平臺，通過對Li皿x2. 4內
核進行裁剪，留下SD卡驅動、FTP服務和網絡支持功能，使用交叉編譯器ARM-Li皿x-gcc在
0penSUSE 11下進行交叉編譯，最后形成大小為1M字節的zlmage內核。 (3)使用PC機，通過JTAG接口 ，將三星公司提供的系統引導程序vivi和編譯
后的內核zlmage下載到NandFlash中，將編譯的應用程序和腳本通過ftp服務也下載至
NandFlash中。系統上電后，按默認啟動腳本自動初始化、加載驅動和運行應用程序。 (4)數據采集端所需要的參數配置和數據采集模式由遠端的PC數據處理端配置，
它們之間的工作流程如圖5所示。 (5) PC數據處理端做為客戶端，通過Socket與數據采集端建立TCP鏈接，成功后發 送配置參數；數據采集端收到配置參數后，回復接收到配置參數的標志SparkleOK。
(6)根據數據采集工作模式，數據采集端初始化工作狀態。數據采集完畢后，回復 數據采集完畢標志SparkleDone，通知PC數據處理端通過建立ftp鏈接下載采集的數據。 數據一般在幾百兆字節，通過100MbaseT以太網能快速下載。 (7)對于多通道數據采集，采用多線程工作方式實現。本系統最大支持20道數據 同時采集，也就是PC能同時與20個數據采集點鏈接，實時完成多路數據的采集和處理。
權利要求
一種多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于多路模擬信號峰值實時檢測系統由基于ARM9的數據采集子系統和PC機數據處理子系統組成；多路模擬信號峰值實時檢測系統的硬件由信號預處理模塊、峰值判別模塊、ARM9數據處理模塊、以太網交換機模塊和PC機模塊組成，其連接結構為分離式模塊結構；軟件由基于ARM9的實時數據處理模塊和基于PC機的可視化數據處理模塊組成，檢測工作在相應的硬件平臺上完成。
2. 根據權利要求1所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于峰值采集電路主要由信號預處理電路、信號峰值判別及A/D轉換電路組成；峰值采集電路將輸入的模擬信號經硬件電路判為峰值后，向CPU發出中斷請求，將其轉換的數字信號由ARM9CPU存貯 到存儲器中。
3. 根據權利要求2所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于信號峰值判 別通過有源微分運算放大器撲捉信號峰值。
4. 根據權利要求2所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于硬件判斷有 峰出現時，立即輸出中斷信號到ARM9CPU，從A/D轉換器讀取采集到的峰值，并在下一峰到 來之前及時地將數據轉移到數據采集子系統的SDRAM中，最后存儲在大容量SD卡中。
5. 根據權利要求1所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于中斷處理程 序采用內核級編程，數據采集中斷信號采用最高優先級的外部中斷。
6. 根據權利要求1所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于采用三級緩 沖方式對采集的數據進行壓縮，即使用三個4kB緩沖器Buffer 1、Buffer2和Buffer3，避開 數據采集和數據轉存之間發生的沖突；緩沖器數據存取設計為長4字節、高1024的大小，這 樣來自底層A/D的數據就能按1-1024進行分類壓縮，每一類存放的最大值為216。
7. 根據權利要求1所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于采用以時間 片為單元的數據結構進行峰值數據存儲；即如要求采樣粒度為10ms，則對每10ms內出現的 脈沖分布進行一次統計，統計結果存于一個整形數組中，數組按次序排列，以二進制文件的 形式保存。
8. 根據權利要求1所述的多路模擬信號峰值實時檢測系統，其特征在于配置的數據 包括HARD/SOFT工作方式，Room數，Room時長在10-lOOmn之間、間隔為10ms ;最大數據采 集時長為10分鐘，按最高分辨率10ms計算，最大Room數為6X104。
全文摘要
本發明涉及一種多路模擬信號峰值實時檢測系統，屬信號檢測及處理技術領域。本發明由基于ARM9的數據采集子系統和PC機數據處理子系統組成；硬件由信號預處理模塊、峰值判別模塊、ARM9數據處理模塊、以太網交換機模塊和PC機模塊組成；軟件由基于ARM9的實時數據處理模塊和基于PC機的可視化數據處理模塊組成。本發明具有采集速度及時間精確度高的特點，實現了隨機信號峰值時間分辨率高達1us的采集，模數轉換精度高達5mV，最短采集時長高達10ms，支持外觸發信號和外部命令啟動兩種工作模式，能夠同時支持20路數據采集。
文檔編號G01T1/36GK101694528SQ20091009505
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月15日 優先權日2009年10月15日
發明者何文學, 方茂勇, 陳忠勇 申請人:云南師范大學;