專利名稱：數字化nim數據獲取系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數據獲取系統(tǒng)，直接應用于核物理實驗或者高能物理實驗。
背景技術：
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR，簡稱CSR)是蘭州重離子加速器HIRFL的擴建工程，屬于國家重大科學工程項目。CSR是一個集加速、累積、冷卻、儲存、治癌終端、內靶實驗、外靶實驗及高分辨測量于一體的多功能實驗裝置，是一個雙儲存環(huán)系統(tǒng)，由CSRm(主環(huán))和CSRe (實驗環(huán))構成。中國科學院近代物理研究所依托該大科學裝置可以進行眾多高精度、高密度的核物理實驗。NIM(Nuclear Instrument Module，核儀器插件)電子學系統(tǒng)是核技術領域前端電子學的基礎平臺，大量核物理實驗需要NIM電子學系統(tǒng)的支持。但是傳統(tǒng)的OTM電子學系統(tǒng)沒有數字化標準，做數據獲取需要CAMAC(Computer Automatic Measurement and Control,計算機自動測量和控制)或者VME (Versa Module Euro card)系統(tǒng)的支持。CAMAC數據獲取系統(tǒng)的數據傳輸率最高只能到3MB/s，而基于VME系統(tǒng)的數據獲取系統(tǒng)的最大數據傳輸速率可達47. 5MB/s。但VME和CAMAC系統(tǒng)成本太高，無法在數據獲取的其他領域進行推廣和應用。

發(fā)明內容
鑒于上述，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種數字化NIM數據獲取系統(tǒng)((CCNS))。利用NIM電源的優(yōu)良特性，結合現代計算機與數字技術，實現OTM系統(tǒng)的數字化功能，從而為核物理實驗及高能物理實驗提供一套新型數據獲取平臺，提高數據獲取效率。本發(fā)明是通過以下技術方案來實現的一種數字化NIM數據獲取系統(tǒng)((CCNQ)，包括控制器插件(1)、模擬數字信號轉化器(ADC)插件0)，自定義總線(3)；其中控制器插件分控制器的前面板、控制器的后面板和控制器內部；模擬數字信號轉化器(ADC)插件分模擬數字信號轉化器(ADC)前面板、模擬數字信號轉化器(ADC)后面板和模擬數字信號轉化器(ADC)內部；自定義總線將控制器插件和模擬數字信號轉化器(ADC)插件連接；裝入NIM機箱內；控制器插件的前面板設有程序控制指示燈、并口硬盤指示燈、串口硬盤指示燈、電源指示燈、觸發(fā)信號接口、RS232串口接口、鍵盤鼠標接口、三個USB2. 0接口、百兆網絡接口、復位按鍵、顯示器接口 ；控制器插件的后面板(Back Panel)上設有兩個插頭，為自定義交互總線插頭和NIM電源插頭；控制器插件的內部電路板上接有SM800系列嵌入式計算機、ACEX1K50系列的FPGA芯片、SN75976系列的單端轉差分芯片、并口硬盤、CF卡、低壓差線性電源芯片以及驅動芯片；控制器插件的前面板上的接口焊接在控制器電路板的一側，控制器插件的后面板上的插口焊接在控制器電路板的另一側；
模擬數字信號轉化器(ADC)插件的前面板(Front Panel)設有8路模擬輸入信號接口、1路觸發(fā)信號接口和1個復位按鍵；模擬數字信號轉化器(ADC)插件的后面板(Back Panel)上設有兩個插頭，為自定義交互總線插頭和NIM電源插頭；模擬數字信號轉化器(ADC)插件的內部電路板上接有峰值展寬器插件、16個放大器芯片、8個ADC芯片、2個數字模擬轉化器芯片、1個CYCL0NEIII系列的FPGA芯片、FPGA芯片的程序配置芯片、SN75976系列的單端轉差分芯片、3V-5V電平轉化芯片、信號匹配板接口、低壓差線性電源芯片以及驅動芯片。模擬數字信號轉化器(ADC)模塊的前面板上的接口焊接在模擬數字信號轉化器電路板的一側，模擬數字信號轉化器(ADC)模塊的后面板上的插口焊接在模擬數字信號轉化器電路板的另一側；自定義總線連接控制器插件和模擬數字信號轉化器插件。本發(fā)明的優(yōu)點和產生的有益效果本發(fā)明經過了物理實驗的測試，數據傳輸率最大可達66MB/S，系統(tǒng)正常運行時數據傳輸率為33MB/S，是傳統(tǒng)CAMAC系統(tǒng)數據率的10倍。本發(fā)明性價比高，系統(tǒng)構建靈活。優(yōu)勢表現在1.該發(fā)明實現了一套新型的完整的數據獲取系統(tǒng)；2.實現了一種智能化的控制器和多通道ADC模塊；3.實現了基于FPGA技術的自定義64芯背板總線規(guī)范和協(xié)議，獲得了 33MB/s的數據傳輸率；4. ADC插件指標實驗室測試指標如下系統(tǒng)分辨率0· 0735% ；最大傳輸速度33MB/s ；最大事件率400KSPS ；采集卡最小死時間2. Ous最小DNL:3LSB


圖1為該數據獲取系統(tǒng)插入NIM機箱的示意圖；圖2為該系統(tǒng)的控制器插件、ADC插件和自定義總線連接方式圖；圖3為在該系統(tǒng)支持下實驗獲得的Co60放射源伽馬譜；圖4為示波器測試自定義總線傳輸速度時的波形；圖5為示波器測試峰值展寬器的波形；
具體實施例方式該發(fā)明所用的NIM機箱電源有+-6V，+-12V，+-24V六種供電電平。本發(fā)明在原先只有機械結構標準和電氣規(guī)范的NIM系統(tǒng)中加入了嵌入式計算機控制器和64芯背板總線，并且通過背板總線協(xié)議，可以使更多的NIM插件協(xié)同工作，實現中小規(guī)模數據獲取的功能，以完成較復雜的物理實驗。在本發(fā)明中，設計了控制器插件1和模擬數字信號轉化器(ADC)插件2，這兩種插件的詳細介紹如下控制器控制器插件1是一個標準的單寬NIM插件，分為控制器的前面板、控制器的后面板和控制器內部；該插件實現了一個完整的計算機系統(tǒng)，并且可以通過自定義的背板總線連接ADC模塊，實現簡單的數據獲取功能?？刂破鞯那懊姘?Front Panel)從上往下有以下一些接口 三個程序控制指示燈、并口硬盤指示燈、串口硬盤指示燈、電源指示燈、觸發(fā)信號接口、RS232串口接口、鍵盤鼠標接口、三個USB2. 0接口、百兆網絡接口、復位按鍵、顯示器接口。其中的程序控制指示燈連接由控制器內部的可編程芯片FPGA，可實現用戶自定義的功能；硬盤指示燈顯示當前硬盤是否在讀寫工作；電源指示燈指示電源是否正常，控制器是否已經接通電源；觸發(fā)信號接口兼容TTL標準和NIM標準信號，采用的是LEMO高頻插座，而RS232串口采用9針D型母頭插座；鍵盤鼠標接口為一帶二結構，普通PS2插座，需外接一個轉接線，將一個PS2 口擴展為一個PS2鍵盤口和一個PS2鼠標口 ；三個USB2.0接口均為標準接口，可外接移動硬盤、優(yōu)盤或者USB鍵盤和鼠標等設備；百兆網絡接口為標準接口 ；復位按鍵可復位控制器內部的可編程芯片的固件程序，同時可以復位內部的嵌入式計算機；顯示器接口為VGA15針插座，可接通用的顯示器?？刂破鞑寮暮竺姘?Back Panel)上有兩個插頭，為自定義交互總線插頭和NIM電源插頭。其中，自定義交互總線插頭為雙排64針插頭(每排32針)，針與針間的間距為2. Omm ；電源插頭為標準的NIM插件電源插頭，在本設計中只用了 +6V和+12V兩種電源?？刂破鞯膬炔恐饕M成元器件有SM800系列嵌入式計算機、ACEX1K50系列的FPGA芯片、SN75976系列的單端轉差分芯片、并口硬盤、CF卡、低壓差線性電源芯片以及部分驅動芯片。其中SM800系列嵌入式計算機實現基本的計算機功能，是該控制器人機接口界面的支撐器件，負責運行WINDOWS XP或者LINUX操作系統(tǒng)，提供FPGA模擬的PCI插卡的驅動以及應用程序，數據獲取系統(tǒng)的軟件支持和數據存儲等；ACEX1K50系列的FPGA芯片在該控制器中主要作用是嵌入式計算機PCI總線和自定義背板總線之間的橋接功能以及部分數據處理功能，這些功能都是用VHDL語言在其內部實現的，這些VHDL程序主要包括PCI從設備接口、自定義總線接口、雙端口 RAM、觸發(fā)信號處理、精準時序控制、狀態(tài)機和部分測試程序。該控制器的核心部分由嵌入式計算機、FPGA芯片和這兩種部件內部的軟硬件程序構成。其它器件如轉換芯片、硬盤、供電部分等都是該核心部分的支撐部件。模擬數字信號轉化器(ADC)模擬數字信號轉化器(ADC)插件2也是一個標準的單寬NIM插件，分模擬數字信號轉化器(ADC)前面板、模擬數字信號轉化器(ADC)后面板和模擬數字信號轉化器(ADC)內部；該插件實現了從模擬信號到數字信號的轉化，并能夠通過自定義背板總線將轉化完成的數字信號傳遞給上面講到的控制器，從而實現簡單的數據獲取功能。同時，ADC模塊也能夠通過自定義背板總線接收來自控制器的命令，實現相應的動作。ADC模塊的前面板(Front Panel)有以下接口 8路模擬輸入信號接口、1路觸發(fā)信號接口和1個復位按鍵。其中的8路模擬輸入信號接口(自上向下為第1路到第8路)均為LEMO高頻插座，接收來自探測器前端電子學主放大器輸出的能量路信號；1路觸發(fā)信號可以作為模塊自調試過程中的觸發(fā)信號輸入，也可以在數據獲取實驗中接收來自觸發(fā)信號扇出器輸出的同步信號；復位按鍵實現該模塊內部關聯(lián)芯片的同步復位功能。ADC模塊的后面板(Back Panel)外形與控制器完全相同，自上向下有自定義交互總線插頭和NIM電源插頭。其中，自定義交互總線插頭為雙排64針插頭(每排32針)，針與針間的間距為2. Omm ；電源插頭為標準的NIM插件電源插頭，與控制器不同，該模塊在設計中只用了 +6V和-6V兩種電源。ADC模塊的內部主要組成元器件有8個峰值展寬器插件、16個放大器芯片、8個ADC芯片、2個數字模擬轉化器芯片、1個CYCL0NEIII系列的FPGA芯片、FPGA芯片的程序配置芯片、SN75976系列的單端轉差分芯片、3V-5V電平轉化芯片、信號匹配板接口、低壓差線性電源芯片以及部分驅動芯片?？蓪崿F幅度范圍在50mV-5V、上升沿是IOns的脈沖幅度展寬，且展寬時間可控在500ns-20us，最小時間分辨為2. 5ns。16個放大器芯片為其后面的8個ADC芯片提供差分輸入信號，8個ADC芯片實現峰值展寬以后的模擬信號的數字轉化工作，然后通過公用并行總線把數據傳送給FPGA芯片；2個DAC芯片按照程序的控制給前端的峰值展寬器提供上閾值和下閾值；FPGA芯片為該模塊的控制核心，提供模塊中所有芯片的時序控制信號，協(xié)調各部件之間的合作，完成模擬信號到數據信號的轉化傳輸，FPGA芯片還負責數據的存儲和處理，把獲取的數據打包后通過自定義背板總線上傳給控制器。FPGA芯片的這些功能都是用VHDL語言在其內部實現的，這些VHDL程序主要包括自定義總線接口、雙端口 RAM、ADC和DAC的工作時序控制、中斷信號產生、狀態(tài)機和部分測試程序等。SN75976系列的單端轉差分芯片、3V-5V電平轉化芯片、信號匹配板接口都是為實現信號的正確傳輸設計的。低壓差線性電源芯片為整個模塊提供極低紋波的電源，保障模塊上各個部件正常工作。自定義總線為實現設計的兩種插件之間的信息交互，本發(fā)明設計一套完整的自定義總線規(guī)范，控制器插件1和模擬數字信號轉化器插件2都要支持基本寫操作、讀操作、中斷處理基本總線功能，而且要達到一定的數據傳輸速度，滿足基本的物理實驗需求。自定義總線3將控制器插件1和模擬數字信號轉化器插件2連接；裝入NIM機箱4內。數據獲取實驗步驟1.將控制器插件插入NIM機箱，保證插件的電源插座與機箱的供電插座連接牢固；2.控制器前面板的鍵盤鼠標接口外接一個轉接線，轉接為兩個PS2 口，分別接PS2鍵盤和PS2鼠標；3.用LEMO線將由探測器前端電子學部分提供的觸發(fā)信號接進控制器前面板的觸發(fā)信號接口；4.控制器前面板的顯示器接口接VGA顯示器；5.將百兆網線接到控制器前面板的網絡接口 ；6.控制器后面板的自定義總線接口接自制的64芯扁平電纜；至此，控制器連線完畢。7.將ADC模塊插入NIM機箱，保證插件的電源插座與機箱的供電插座連接牢固；8.用LEMO線將由探測器前端電子學部分提供的能量路信號接進ADC模塊前面板的8路模擬信號輸入接口 ；9. ADC模塊后面板的自定義總線接口連接與控制器相通的一根自制64芯扁平電纜；至此，ADC模塊連線完畢。完成以上9步以后，打開NIM機箱的電源開關，控制器和ADC模塊開始工作。10.控制器接通電源以后，有一個啟動操作系統(tǒng)的過程，該過程大約需要1-2分鐘；11.操作系統(tǒng)啟動后，操作系統(tǒng)會根據之前的設置，自動搜索FPGA的PCI驅動，監(jiān)視控制設備；12.打開數據獲取程序界面，運行程序，整個數據獲取過程由此開始。由探測器出來的信號經過前端電子學部件的處理，形成觸發(fā)信號和能量信號。觸發(fā)信號經過本系統(tǒng)中的控制器插件的處理和扇出，提供給系統(tǒng)中的ADC模塊插件。在控制器的控制程序和觸發(fā)信號的控制下，ADC模塊將輸入的信號進行模數轉化，并將轉化以后的值暫時存在ADC模塊內部FPGA實現的內存中，等暫存的數據達到1KB-3KB的數量時，ADC模塊通過背板總線發(fā)送中斷請求?？刂破鹘邮盏紸DC模塊的中端請求以后，通過背板總線發(fā)送握手信號與ADC模塊進行交互握手，握手成功后，ADC模塊就開始通過背板總線用塊傳輸的方式(block傳輸)將內存中的數據傳送給控制器模塊?？刂破鲗⒔邮盏降臄祿葧捍嬖贔PGA內部的內存空間中，然后通過PCI總線上傳至控制器嵌入式計算機的內存中。嵌入式計算機內存中的數據在數據獲取程序的控制下，繪制譜圖，或者通過網絡傳輸到上位機進行譜圖顯示和數據在線分析。與此同時，所有的數據都進行存盤，以便對實驗數據進行以后的離線分析。圖3顯示的是在該系統(tǒng)的支持下做的一次Co60放射源伽馬譜測試實驗。從圖中可以看出該系統(tǒng)能夠準確的測出Co60伽馬譜中的兩個峰，通過分析其中最窄的峰，用其半高寬除以該峰的最大值就能得到0. 0735%的分辨率；說明了該數字化OTM數據獲取系統(tǒng)功能實現，并且能實現基本的物理實驗。圖4為示波器測試自定義總線傳輸速度時的波形。其中第1路信號為自定義總線的時鐘，時鐘周期為60ns，頻率為16.5MHz。第2路為自定義總線上的最低數據位ADOO上的波形。從圖中可以找到在兩個時鐘周期內，ADOO從高電平變?yōu)榈碗娖交蛘邚牡碗娖阶優(yōu)楦唠娖降牟ㄐ?，證明數據位變化的最小間隔為一個時鐘周期，即數據線上的數據也是工作在時鐘信號頻率下的。因為數據線是16位，因此，數據傳輸速度為16. 5X16-8 = 33MB/s。圖5為示波器測試峰值展寬器的波形。從這個波形中可以分析出，下面的波形寬度為200nsX10 = 2us，可以得出采集卡最小死時間為2.0us。用l/2us可以得出最大事件率:400KSPSo
權利要求
1. 一種數字化NIM數據獲取系統(tǒng)，包括控制器插件(1)、模擬數字信號轉化器插件(2)，自定義總線(3)；其中控制器插件(1)分控制器的前面板、控制器的后面板和控制器內部；模擬數字信號轉化器插件( 分模擬數字信號轉化器前面板、模擬數字信號轉化器后面板和模擬數字信號轉化器內部自定義總線C3)將控制器插件(1)和模擬數字信號轉化器插件⑵連接；裝入NIM機箱(4)內；控制器插件的前面板設有程序控制指示燈、并口硬盤指示燈、串口硬盤指示燈、電源指示燈、觸發(fā)信號接口、RS232串口接口、鍵盤鼠標接口、三個USB2. 0接口、百兆網絡接口、復位按鍵、顯示器接口 ；控制器插件的后面板上設有兩個插頭，為自定義交互總線插頭和NIM電源插頭；控制器插件的內部電路板上接有嵌入式計算機、FPGA芯片、SN75976系列的單端轉差分芯片、并口硬盤、CF卡、低壓差線性電源芯片以及驅動芯片；控制器插件的前面板上的接口焊接在控制器電路板的一側，控制器插件的后面板上的插口焊接在控制器電路板的另一側；模擬數字信號轉化器插件的前面板設有8路模擬輸入信號接口、1路觸發(fā)信號接口和1個復位按鍵；模擬數字信號轉化器插件的后面板上設有兩個插頭，為自定義交互總線插頭和NIM電源插頭；模擬數字信號轉化器插件的內部電路板上接有峰值展寬器插件、16個放大器芯片、8個ADC芯片、2個數字模擬轉化器芯片、1個FPGA芯片、FPGA芯片的程序配置芯片、SN75976系列的單端轉差分芯片、3V-5V電平轉化芯片、信號匹配板接口、低壓差線性電源芯片以及驅動芯片；模擬數字信號轉化器插件的前面板上的接口焊接在模擬數字信號轉化器電路板的一側，模擬數字信號轉化器插件的后面板上的插口焊接在模擬數字信號轉化器電路板的另一側；自定義總線C3)連接控制器插件(1)和模擬數字信號轉化器插件O)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數字化NIM數據獲取系統(tǒng)，包括控制器插件、模擬數字信號轉化器(ADC)插件和自定義總線。自定義總線將控制器插件和模擬數字信號轉化器(ADC)插件連接；裝入NIM機箱內。本發(fā)明經過了物理實驗的測試，數據傳輸率最大可達66MB/s，系統(tǒng)分辨率0.0735％；用1/2us可以得出最大事件率400KSPS；采集卡最小死時間2.0us。
文檔編號G05B19/04GK102566459SQ20111039699
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權日2011年12月2日
發(fā)明者南鋼洋, 周文雄, 張建川, 王彥瑜 申請人:中國科學院近代物理研究所