基于 DSP builder 与 FPGA 的数字脉冲处理算法研究.pdf

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1、第３４卷第２期核电子学与探测技术Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．２　　２０１４年　２月ＮｕｃｌｅａｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ．　２０１４　　基于DSPbuilder与FPGA的数字脉冲处理算法研究李玉英，梁昊，曾雅丹，刘汉超（１．核探测与核电子学国家重点实验室（高能所，中科大），中国科学技术大学，合肥２３００２６；２．物理电子学安徽省重点实验室，中国科学技术大学近代物理系，合肥２３００２６）摘要：研究了基于ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ与ＦＰＧＡ的数字脉冲处理算法，设计了一种基于数字脉冲处理技术的数字实时时间谱仪。谱仪数字恒比定时（ｄＣＦＤ）算法部分最终

2、全部在ＦＰＧＡ中实现，简化了电路。并２２组建了一套测量Ｎａ放射源的数字化正电子符合谱仪，对其进行测量得到该系统能量分辨达到３．９０％，时间分辨达到１５７．６ｐｓ，高于传统ＴＤＣ测得的时间分辨率。关键词：数字恒比定时（ｄＣＦＤ）；ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ；现场可编程门阵列；数字脉冲处理（ＤＰＰ）中图分类号：　ＴＬ８２　　文献标志码：　Ａ文章编号：　０２５８-０９３４（２０１４）０２-０１４８-０４近年来数字脉冲处理（ＤＰＰ）技术得到迅速计工具ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ，允许设计者在ＭＡＴＬＡＢ／发展，随着高精度ＡＤＣ和高性能ＤＳＰ的发展，ｓｉｍｕｌｉｎｋ中完成算法设计，并通过Ｑｕａｒｔｕ

3、ｓＩＩ软数字脉冲处理技术代替传统模拟电路脉冲处理件与ＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具之间的接口，将算［１］技术的可能性也越来越大。数字信号处理法转换成硬件描述语言，比直接的硬件语言描［３］技术具有很大的灵活性，可以重新配置以适应述更简化了基于ＦＰＧＡ的ＤＳＰ系统设计，所不同信号的需求；随着ＡＤＣ和ＦＰＧＡ性能的提以我们的算法采用ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ与ＦＰＧＡ相结高，数字信号处理技术的精度也得到进一步提合来实现。高；数字脉冲处理技术尽可能早地将信号数字化，也具有很强的抗干扰能力［２］。因此，数字1系统整体设计脉冲处理技术被广泛地用在核谱仪系统中。该系统硬件整体设计方案如图１，

4、数字时基于ＦＰＧＡ的数字脉冲处理算法通常采用间谱仪由３个部分组成：模拟成形和波形数字ＶＨＤＬ或ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ等硬件描述语言实现，Ａｌ-化部分，实时数字信号处理部分，数据处理结果ｔｅｒａ公司推出的专门针对数字信号处理器的设上传部分。1畅1模拟成形和波形数字化部分由前置放大器、贝塞尔滤波器、单端转差分收稿日期：２０１３－０５－０８电路组成。二阶贝塞尔滤波器为抗混叠低通滤基金项目：国家自然科学基金资助项目（波器，由低噪声、超低失真、高带宽的ＡＤ８０４５１０９７５１３２）。作者简介：李玉英（１９８９－），女，河南安阳人，硕士放大器来实现，用来进行增益调制和高频限制。研究生，研究

5、方向为物理电子学。通信作者：梁昊（由于数字化部分采用的是高速差分ＡＤＣ，我们１９７０－），男，黑龙江齐齐哈尔人，博士，中国科学技选用ＡＤＩ公司的低噪声、高性能差分放大器术大学近代物理系副教授，主要从事核电子学物理ＡＤ８１３９，作为高速差分ＡＤＣ的驱动芯片，电子学研究。ＡＤ８１３９具有低噪声、低谐波失真、宽带宽等特１４８性。ＡＤＣ部分选用ＡＤ９４４５，ＡＤ９４４５是一款１４１０５～１２５ＭＳＰＳ，具有高信噪比、低失真度、出位单芯片采样模数转换器（ＡＤＣ），采样频率色的线性度等优点。图１　硬件整体设计方案1畅2实时数字信号处理部分选的有效事例脉冲信号被送入由ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ数

6、字信号处理部分全部在ＦＰＧＡ中实现。设计实现的恒比定时（ｄＣＦＤ）算法模块，进行一系统采用了一片Ａｌｔｅｒａ公司ＣｙｃｌｏｎｅＩＩＩ系列个时钟周期内的时间差精计数。ＦＰＧＡ芯片ＥＰ３Ｃ４０Ｆ４８４Ｃ８Ｎ作为逻辑主控芯ｄＣＦＤ算法部分包括：脉冲峰位查找，波形片。ＦＰＧＡ的主要作用有４个：一是实现ＡＤＣ内插，计算极值（最大值／最小值），时间分析四高速数据缓冲和触发判选事例信号以及信号基部分。线去除，将有效事例脉冲数据送到ｄＣＦＤ（由2畅1脉冲峰位查找ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ生成）；二是结合ＤＳＰｂｕｉｌｄｅｒ实现在ＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ中可以调用ＤＳＰ实时快信号处理；三是ＵＳ

7、Ｂ接口协议和命令响ｂｕｉｌｄｅｒ的ｓｉｍｕｌｉｎｋ库中的模块，搭建算法，实现应，实现ＵＳＢ２．０接口与上位机通讯；四是利用事例脉冲峰位查找，并保存峰值前面１个点和其内部的ＰＬＬ对有源晶振输出的低频时钟进后面２个点共４个点用来插值拟合脉冲波形。行倍频／分频处理，并以此处理后的时钟信号提2畅2波形内插供给ＡＤＣ芯片、ＵＳＢ芯片。Ｓｐｌｉｎｅ插值精确度最佳，线性插值执行速1畅3数据处理结果上传部分度最佳，综合考虑计算时间和计算精度，从实时系统设采用了一片Ｃｐｒｅｓｓ公司的ＥＺ－性考虑，对比线性插值、Ｃｕｂｉｃ