数字化核仪器中FPGA技术的应用实践周建斌中国原子能计算机与互联网

第pan style="font-family:宋体">章核仪器发展

1.pan style="font-family:宋体">核辐射探测器

1.2放大器

1.2.pan style="font-family:宋体">前置放大电路

1.2.2主放大器

1.3高压电源

1.4模拟单道甄别器

1.5模拟多道脉冲幅度甄别器

1.6微机技术在核仪器设计中的应用

1.6.pan style="font-family:宋体">微型计算机简介

1.6.2基于微机技术的核仪器

1.7虚拟核仪器

1.7.pan style="font-family:宋体">虚拟仪器的硬件组成

1.7.2虚拟仪器的软件设计

1.8基于FPGA的核仪器

第2章FPGA简介与开发

2.1FPGA简介

2.1.pan style="font-family:宋体">可编程逻辑器件

2.1.2FPGA基本结构

2.1.3FPGA的设计流程

2.2 Verilog开发语言

2.2.pan style="font-family:宋体">模块

2.2.2 Verilog HDL语言要素与数据类型

2.2.3 Verilog HDL表达式

2.2.4 Verilog HDL基本语句

第3章核仪器能部件的FPGA实现

3.pan style="font-family:宋体">常见数字电路设计

3.1.pan style="font-family:宋体">流水灯

3.1.2按键

3.1.3编码器与译码器

3.1.4综合应用

3.2分频器·

3.2.pan style="font-family:宋体">等占空比分频设计

3.2.2不等占空比分频

3.3四位LED数码管·

3.3.pan style="font-family:宋体">静态显示设计

3.3.2动态显示设计

3.4BCD码·

3.4.pan style="font-family:宋体">逐位比较法

3.4.2左移加三法

3.4.3直接组合逻辑

3.5频率计

3.6占空比测量

3.7脉冲宽度测量

3.8单道脉冲幅度分析器

第4章串行通信接口部件设计

4.1 UART设计

4.1.1UART的异步串行通信…

4.1.2UART异步串行通信发送模块设计

4.1.3UART异步串行通信接收模块设计

4.1.4测试模块的设计

4.2串行外设接口（SPI）

4.2.1SPI从机模块设计

4.2.2SPI主机模块设计

4.3CAN通信介绍

4.3.1CAN简介

4.3.2CAN

4.3.3CRC检验

4.3.4CAN模块设计

4.3.5CAN模块的测试

第5章 MCU与FPGA的并行接口设计

5.1FSMC简介

5.2 ARM与FPGA通过FSMC

5.3FSMC在数字多道能谱仪中的应用

5.4Zynq及AXI4

5.4.1 Zynq简介.

5.4.2AXI4

5.4.3 AXI4-Lite

5.4.4 AXI-stream IP接口

5.4.5 AXI-DMA简介

5.5基于AXI

第6章数字化核能谱测量系统

6.pan style="font-family:宋体">数字核能谱测量技术简介

6.1.pan style="font-family:宋体">多道脉冲幅度分析器工作原理

6.2ADC

6.2.1AD9235介绍

6.2.2AD9235驱动电路设计

6.3脉冲幅度获取

6.4双口RAM的应用

6.5双向数据交换

6.5.1 UART通信接口

6.5.2SPI通信接口

6.6 STM32下位机设计

6.6.1SPI数据传输

6.6.2USB虚拟串口

第7章数字核脉冲信号处理技术

7.pan style="font-family:宋体">梯形脉冲成形

7.1.pan style="font-family:宋体">单指数梯形脉冲成形

7.1.2双指数梯形脉冲成形

7.2数字高斯脉冲成形

7.2.pan style="font-family:宋体">高斯脉冲成形递推算法

7.2.2成形参数配置

7.2.3数字高斯脉冲成形特性

7.3数字核脉冲信号展开处理

7.3.pan style="font-family:宋体">信号的基本运算

7.3.2展开-合成技术

7.3.3 展开

7.4逆系统分析及应用

7.4.1C-R逆系统

7.4.2R-C逆系统

7.4.3核脉冲信号上升沿恢复

7.4.4单位冲激脉冲成形

第8章 FPGA在数字化核仪器中的应用

8.pan style="font-family:宋体">荧光光谱中伪峰剔除

8.1.pan style="font-family:宋体">伪峰产生原因

8.1.2突变脉冲识别

8.1.3伪峰剔除

8.2突变脉冲修复

8.2.pan style="font-family:宋体">修复原理

8.2.2 238Pu能谱

8.3和峰处理

8.3.pan style="font-family:宋体">加和峰产生原因

8.3.2脉冲宽度甄别

实验测试

8.3.3

8.4脉冲丢失校正

8.4.pan style="font-family:宋体">测量系统

8.4.2快通道中单位冲激脉冲成形

8.4.3脉冲丢失校正

参考文献

FPGA(Field—Programmable Gate Array）,即现场可编程门阵列,是在PAL、GAL、CPLD等传统可编程器件的基础一步发展起来的。作为专用集成电路（ASIC）领域中

的一种半定制电路器件，FPGA既较好地解决了全定制电路的缺陷，又能够克服传统可编程器件片内资源不足的缺点。

凭借自身逻辑容量大、速度快、可靠性高、可实时修改等优点，FPGA器件已经在通

信领域内得到了广泛地应用。可以看到年来FPGA器件也逐渐成为核仪器研制领域内

的研究热点，尤其是高端核仪器的研制。此外，在核控制监测领域，新一代核电DCS系统

中已经开始大量采用FPGA技术。在核信号的获取与处理及自动控制中FPGA已经开始发挥重要作用。

20世纪90年代，笔者开始初次接触PLD技术，随之将该技术引入到我校“测控技术与仪器”专业的人才培养方案中。为了提生运用该技术的实际动手能力，团队基于FLEX10Kpan style="font-family:宋体">系列器件自主研制了的实验装置，并开设了基础练习和综合设计两种类型的

数十个实验项目，也编撰了配套的实验教材。这些都为后续将FPGA技术与核仪器仪表的研制相结合，从事核方法与核技术领域内的科学研究奠定了坚实的知识理论基础入2pan style="font-family:宋体">世纪后，FPGA技术以日新月异的速度飞速发展。依托于国家部委的重大研究专项和大型

企业的科技攻关协助课题，笔者团队将FPGA技术与核技术相互融合，先后攻克了核仪器仪表的数字化、痕量信号的数字提取以及快（窄）脉冲信号的实时处理等技术难题，将核方法与核技术在传统核能谱测量、放射性测（录）井和乏燃料后处理等领域中的应用推到了一个新的。

1997年我在硕士论文中开始接触PLD，1998年左右我留校任教后首先在测控技术与仪器专业开设EDA课程（主要讲述CPLD以及FPGA的设计与应用），当时自己制作了FPGA实验板，编写了实验教材，准备出一本这方面的教材，基本素材都已经完成了。几年前我又开始给核工程与核技术专业的学生开始开设这门课程。从1997到2020，FPGA的技术

飞速发展，我在自己的科研项目中也大量使用FPGA的技术，是在高速核信号采集与

面，我自己对于FPGA的认识比之2000年左右更加透彻，所以决定动手把一些东西系统的整理出来，主要是结合了核辐射测量、核信号处理、核数据通信等一些内容，大部分的设计与FPGA厂商以及器件无关，而且在Altera以及Xilinx两家公司的器件上都得到验证。

全书共分8章，第pan style="font-family:宋体">章是核测量仪器的基本介绍；第2章介绍FPGA的基本原理与Verilog语言；第3章介绍核仪器能部件的FPGA实现；第4章介绍串行通信接口部件设计，主要有UART，SPI,CAN三种协议的实现；第5章介绍MCU与FPGA的并行接口设计，以S05pan style="font-family:宋体">以及STM32F103为例，介绍STM32F103的FSMCFPGA的数据

通信，以及Zymq及AXI46章介绍基于FPGA的数字化多道能谱测量系统；第7章介绍基于FPAG的数字核脉冲信号处理技术；第8章介绍基于FPGA的数字化核仪器中的应用，主要是我们课题组以及课题组学几年写的几篇文章以及一篇国外研究成果的

整理。

本书第pan style="font-family: 宋体">、2、3章是我承担的核工程与核技术专业《EDA技术》本科生课程的主要教

学内容。如果具备MCU的相关知识对于第4、5章内容的理解会有所帮助，FPGA与MCU

相比较而言缺少必要的外设，如果给FPGA配上一些外设，在很多场合将可以独立工作，UART,SPI，CAN三种协议可以选择一种去研读即可，CAN有一定的难度，如果没有CAN应用经验建议忽略此小节；第6章为数字化核仪器设计，适用于研究生学习；如果对于采用FPGA技术处理核信号感兴趣可以研读第7、8章节。20pan style="font-family:宋体">年我在原子能出版社出版的《核信号数字分析与处理》可以作为本书的参考书，有益于理解第7章中核信号数字化处理的一些内容。

后，全文的顺利完成依靠的是团队所有成员的团结协助。感谢成都理工大学喻杰博士整理了全书的数据资料，感谢四川新先达测控技术有限公司万文杰工程师完成的大量实践案例测试；我的硕士研究生刘飞、金幼贤、李乐赛、王明、胡杰参与了书中程序测试及文字校对工作。本书的顺利出版也得到了中国原子能出版社的支持和帮助，在此一并致谢！

作者

2020年3月于成都理工大学

第pan style="font-family: 宋体">章

核仪器发展

核仪器主要是指利用元素放射性原理，对物行放射性种类和含量检测的一种仪器。核仪器在人们的生产生活中使用广泛，其开发和生产成为关系到工农业发展的关键。目前我国从事核应用技术开发和生产的企事业单位有360多家，主要有北京核仪器厂、西安核仪器厂、上海电子仪器厂、四川新先达测控技术有限公司等。

核仪器由探测器、前置放大电路、放大电路、信号处理电路和控制系统组成。

1.pan style="font-family:宋体">核辐射探测器

核辐射探测器可以分为：闪烁体探测器、气体探测器和半导体探测三大类。

（pan style="font-family: 宋体">）闪烁体探测器

通过带电粒子打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根据电信号的大小测定粒子的能量。闪烁体可分三大类：①无机闪烁

体：常见的有用铊（Tl）激活的碘化钠NaI（Tl）和碘化铯CsI（Tl）晶体，它们对电子、

Y辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减时间较长；锗酸铋晶体密度大，

发光效率高，因而对高能电子、Y辐射探测十分有效。其他如用银（Ag）激活的硫化锌ZnS

（Ag）主要用来探测a粒子；玻璃闪烁体可以测量a粒子、低能X辐射，加入载体后可测

量中子；氟化钡（BaF2）密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。

②有机闪烁体括塑料、液体和晶体（如蒽、芪等），前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短（2～3ns，快塑料闪烁体可小于），常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率。③气体闪烁体括氩、氦等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短（小于）。

（2）气体探测器

气体探测器有：电离室、G-M计数管、正比计数器等。其测量原理：在气体探测器灵敏区带电粒子电离产生大量的电子和正离子，将在电场的作用下以相反的方向朝两个电极漂移，由于电子和正离子的运动，它在两电极上的感应电荷随之变化。这种变化始于离子对的形成，终于离子对全部被收集。因此，相应于一个入射粒子的电离，在收集极上出现一个短暂的电压或电流脉冲。

（3）半导体探测器

辐射在半导体中产生的载流子（电子和空穴），在反向偏压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量核辐射。常用硅、错做半导体材料，主要有三种类型：①在N型单晶上喷涂一层金膜的面垒型；②在电阻率较高的P型硅片上扩一层能提供电子的杂质的③在P型锗（或硅）的表面喷涂一薄层金属锂后行漂移的锂漂移型。高扩散结型；

纯锗探测器有较高的能量分辨率，对y辐射探测效率高，可在室温下保存，应用广泛。砷化镓、碲化镉、碘化汞等材料也有应用。