ADI公司是世界領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理集成電路制造商，是全球主要的可編程DSP芯片供應(yīng)商之一。Blackfin DSP是目前ADI主推的旗艦DSP，由ADI公司和Intel公司共同開(kāi)發(fā)，采用了MSA(Micro Signal Architecture)結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)將藝術(shù)級(jí)的dual-MAC DSP 引擎、簡(jiǎn)潔的RISC式微處理器指令集的優(yōu)點(diǎn)以及單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)多媒體能力結(jié)合起來(lái)，形成了一套獨(dú)有的指令集體系。ADSP-BF537是Blackfin DSP系列產(chǎn)品中最新成員之一,它可以實(shí)現(xiàn)600 MHz的持續(xù)工作,峰值運(yùn)算能力1 200 MACs,能滿(mǎn)足本系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)處理需求。ADSP-BF537芯片配置中：L1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括2個(gè)32 KB SRAM的Bank，每個(gè)Bank均由2個(gè)16 KB SRAM組成,用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩沖器;SPI口可用于程序加載;CAN2.0B接口用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸;支持DMA請(qǐng)求的PPI接口用于與A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)傳輸;其片內(nèi)自帶1～63倍的PLL用于設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘;內(nèi)核電壓可在0.8 V～1.2 V設(shè)置,用于控制功耗?？梢?jiàn)DSP-BF537芯片配置十分強(qiáng)大、功能齊全，非常適合數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制場(chǎng)合,能充分滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)所需高速采樣的需求，并留有一定余量。
　　A/D轉(zhuǎn)換器采用AD9225，它是ADI公司生產(chǎn)的單電源供電、12位精度、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、25 MS/s高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源。AD9225采用帶有誤差校正邏輯的四級(jí)差分流水結(jié)構(gòu)，以保證在25 MS/s采樣率下獲得精確的12位數(shù)據(jù)。除了最后一級(jí)，每一級(jí)都有一個(gè)低分辨率的閃速A/D與一個(gè)殘差放大器（MDAC）相連。該殘差放大器用來(lái)放大重建DAC的輸出和下一級(jí)閃速A/D的輸入差，每一級(jí)的最后一位作為冗余位，以校驗(yàn)數(shù)字誤差。AD9225采用單一的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制內(nèi)部所有的轉(zhuǎn)換，A/D采樣在時(shí)鐘的上升沿完成。在25 MS/s的轉(zhuǎn)換速率下，采樣時(shí)鐘的占空比保持在45％～55％之間；如果轉(zhuǎn)換速率降低，占空比也可以隨之降低。它還具有并行外設(shè)接口（PPI），通過(guò)這個(gè)接口把數(shù)字化后的數(shù)字信息并行輸出。
　　探測(cè)器輸出的反映伽馬射線能量大小的電脈沖，通過(guò)電容耦合進(jìn)入前置放大器，經(jīng)放大和跟隨驅(qū)動(dòng)后，送入AD9225高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行25 MHz的高速采樣，然后通過(guò)DMA方式送到DSP內(nèi)部緩沖區(qū)，緩沖區(qū)設(shè)置成雙緩沖形式，當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)填滿(mǎn)后，DMA自動(dòng)指向下一緩沖區(qū)，同時(shí)DSP對(duì)上一個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值檢測(cè)。由于伽馬脈沖采用電容耦合，電容的充放電就不可避免地要導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的基線發(fā)生漂移，因此在進(jìn)行全波采集時(shí)要包括基線值采集，然后與脈沖采樣值相減，得到實(shí)際的脈沖幅度。其實(shí)最合理的做法應(yīng)采用基線恢復(fù)器，將采樣的基線電壓值再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換作為基線恢復(fù)器控制輸入，以便在脈沖過(guò)后對(duì)電容進(jìn)行快速放電，使電容兩端電壓差始終保持在零電平。特別是在脈沖頻率高、信號(hào)幅度大的情況下，電容所充電荷難以在脈沖間隙時(shí)間內(nèi)自然放電，使基線逐漸抬高，可能造成高幅度脈沖的丟失。溫度等外界環(huán)境變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生影響，其結(jié)果是導(dǎo)致測(cè)量的信號(hào)幅度下降，使測(cè)量不能得到正確的能譜，因此增加了高壓控制功能，DSP將常溫下某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特征能量窗口計(jì)數(shù)率的變化換算成調(diào)整電壓量，通過(guò)D/A調(diào)節(jié)探測(cè)器光電倍增管高壓大小，實(shí)質(zhì)上是改變測(cè)量信號(hào)的輸出幅度，也即系統(tǒng)的放大倍數(shù)，從而調(diào)節(jié)探頭輸出信號(hào)幅度，嚴(yán)格保證所測(cè)信號(hào)能譜穩(wěn)定不變。為保證DSP的有效運(yùn)行，增加了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、程序加載電路等；為保證AD9225的有效采集，增加了減噪濾波、信號(hào)箝位以及電平轉(zhuǎn)換等電路。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)功能包括：能譜數(shù)據(jù)采集及高壓控制等。按照工作流程分為：系統(tǒng)初始化程序、能譜測(cè)量程序和穩(wěn)譜控制程序等，具體程序流程如圖2所示。

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　　程序開(kāi)始后首先進(jìn)行初始化，包括：時(shí)鐘頻率初始化、存儲(chǔ)器初始化、同步串口初始化、CAN初始化、PPI和DMA0初始化。初始化完成后，系統(tǒng)就進(jìn)入了正常狀態(tài)。通過(guò)不斷查詢(xún)DMA中斷標(biāo)志位判斷當(dāng)前A/D采樣緩沖區(qū)是否已滿(mǎn)，如果已滿(mǎn)，則查詢(xún)緩沖區(qū)標(biāo)志位，判斷是雙緩沖區(qū)中的哪一個(gè)緩沖區(qū)滿(mǎn)，然后將數(shù)據(jù)指針指向已滿(mǎn)緩沖區(qū)。隨后能譜測(cè)量程序?qū)?shù)據(jù)指針指向的緩沖區(qū)進(jìn)行峰值檢測(cè)，檢測(cè)到脈沖峰值后，將峰值對(duì)應(yīng)地址處的數(shù)據(jù)加1，然后程序又進(jìn)行DMA中斷判斷，繼續(xù)判斷A/D采樣緩沖區(qū)是否已滿(mǎn)，如此周而復(fù)始完成能譜測(cè)量。
　　能譜測(cè)量程序的功能是檢測(cè)A/D采樣緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)峰值，每檢測(cè)到一個(gè)峰值，就將峰值對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)加1，隨著時(shí)間的累積就得到了所測(cè)量的信號(hào)伽馬射線能譜。具體程序流程圖如圖3所示。

　　能譜測(cè)量程序的核心是獲取信號(hào)脈沖的峰值，并按照峰值大小尋址。變量Max保存當(dāng)前比較的最大值，變量Inpeak表示當(dāng)前點(diǎn)是否是處于脈沖信號(hào)內(nèi)，1表示在，0表示不在。程序開(kāi)始首先初始化變量，然后進(jìn)入循環(huán)體，循環(huán)長(zhǎng)度設(shè)為N次，N與緩沖區(qū)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)相同，循環(huán)長(zhǎng)度主要取決于信號(hào)脈沖本身的頻率大小以及系統(tǒng)能夠提供的采樣速率。進(jìn)入循環(huán)體后，首先讀取緩沖區(qū)的第一個(gè)數(shù)并賦給變量Input，由于A/D采樣位數(shù)為12位，可形成1 024道能譜，但從系統(tǒng)要求和系統(tǒng)精度考慮，256道能譜就能滿(mǎn)足使用要求，所以將Input右移4位，僅用高8位數(shù)據(jù)。隨后Input與噪聲門(mén)限作比較，如果小于門(mén)限，則判斷上一個(gè)點(diǎn)是否處于該脈沖信號(hào)內(nèi)，如果是則說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)跳出脈沖，當(dāng)前最大值Max即為信號(hào)峰值，如果上一個(gè)點(diǎn)不在脈沖信號(hào)內(nèi)，則此時(shí)沒(méi)有信號(hào)峰值。如果與門(mén)限比較的結(jié)果為高于門(mén)限，則將Inpeak置1，說(shuō)明當(dāng)前處于脈沖信號(hào)內(nèi)，然后比較當(dāng)前Input是否大于Max，如果大于，則將Max值用Input值替換，循環(huán)體末尾將地址指針遞增，指向下一個(gè)數(shù)據(jù)。如此循環(huán)往復(fù)，就可準(zhǔn)確地獲得每一個(gè)信號(hào)脈沖的峰值，進(jìn)而形成伽馬射線能譜。
　　穩(wěn)譜控制程序的核心是將被監(jiān)測(cè)的伽馬射線特征能量窗口計(jì)數(shù)率的變化，換算成系統(tǒng)控制電壓的變化，通過(guò)調(diào)整光電倍增管高壓進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)的閉環(huán)增益，從而使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。采用四窗判別法，在特征能量窗兩邊各取兩個(gè)窗口，計(jì)數(shù)率分別為N1、N2、N3、N4，在采集系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，它們之間應(yīng)該符合如下關(guān)系：
　　

　　SF就是所謂的穩(wěn)譜因子。實(shí)際上SF嚴(yán)格為零是不可能的，只能逼近于零。SF因子和系統(tǒng)增益能夠建立清晰關(guān)系，當(dāng)SF<0時(shí)，表明能譜往左漂移，系統(tǒng)增益減小，需要增加高壓以增大增益，使能譜右移；當(dāng)SF>0時(shí)，表明能譜往右漂移，系統(tǒng)增益增加，需要減少高壓以降低增益，使能譜左移。程序首先計(jì)算SF值，如果SF>0.3，則采用比較大的高壓調(diào)節(jié)步距，以便系統(tǒng)能比較快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；如果SF<0.3，則采用較小的高壓調(diào)節(jié)步距，以便緩慢接近穩(wěn)定狀態(tài)，避免造成系統(tǒng)震蕩而達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)；SF<0.2時(shí)，采用更小的調(diào)節(jié)步距；而SF≤0.1時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)基本穩(wěn)定，不再進(jìn)行調(diào)整。SF取值范圍越寬，取值點(diǎn)越多，則調(diào)整更精確、系統(tǒng)更穩(wěn)定，但一個(gè)穩(wěn)譜周期占用時(shí)間也越長(zhǎng)，因此應(yīng)進(jìn)行整體考慮。
3 系統(tǒng)測(cè)試
　　對(duì)高速采樣進(jìn)行測(cè)試。在高速A/D端輸入頻率為10 kHz的正弦信號(hào)，A/D采樣頻率為25 MHz，采樣4 000個(gè)點(diǎn),即得到4 000個(gè)數(shù)據(jù),對(duì)這4 000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件恢復(fù)可得如圖4所示波形。

　　從圖4可以看出，正弦波一個(gè)周期點(diǎn)數(shù)為2 500個(gè)點(diǎn)，根據(jù)25 MHz的采樣頻率可以換算出信號(hào)頻率為10 kHz，與信號(hào)一致，從而證實(shí)A/D的工作正常。
　　使用實(shí)際的自然伽馬能譜探頭進(jìn)行測(cè)試，輸出信號(hào)脈沖寬度為2μs左右，幅度在4V以?xún)?nèi)，信號(hào)干擾小于15mV。圖5為采集時(shí)間為3 min的能譜，圖中橫坐標(biāo)為能譜道數(shù)，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的能譜值。與原有的電容取樣的峰值測(cè)量多道分析器比較，能譜形狀和幅度完全一致。但在模擬脈沖信號(hào)的測(cè)試中，當(dāng)輸入脈沖頻率大于300 kHz時(shí)，電容取樣的多道分析器已不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而本系統(tǒng)在900kHz情況下還能準(zhǔn)確采集能譜數(shù)據(jù)。

　　基于波形高速采樣的能譜采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為核測(cè)井能譜測(cè)量提供了一種可供選擇的技術(shù)與手段，并在實(shí)際的使用中取得了效果，表明系統(tǒng)采用的采集方法正確，電路與軟件設(shè)計(jì)可靠合理，必將在核測(cè)井應(yīng)用中發(fā)揮應(yīng)有的作用。