伽馬測(cè)井中高溫高速數(shù)字多道的設(shè)計(jì)與研究

呂新龍，王 敏，廖光輝，萬(wàn)文杰，楊體波

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

在深部巖性和物性復(fù)雜地質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域，中子伽馬測(cè)井是測(cè)井系列技術(shù)中為數(shù)不多的套管內(nèi)測(cè)井技術(shù)[1]。由于測(cè)量過程中會(huì)出現(xiàn)高溫、高壓的環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)還沒有可以在高溫探測(cè)環(huán)境下正常工作的測(cè)井儀器。在高溫試驗(yàn)中，普通的數(shù)字能譜測(cè)量系統(tǒng)在超過120 ℃的環(huán)境下便無(wú)法正常工作。

對(duì)此，需要設(shè)計(jì)一款能夠在高溫情況下正常工作的數(shù)字多道分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在155 ℃環(huán)境溫度下，以100 MS/s采樣速度正常工作，使國(guó)產(chǎn)造巖元素中子伽馬測(cè)井儀器具備快速能譜采集、耐高溫高壓的能力，可識(shí)別元素?cái)?shù)量不少于16種。該系統(tǒng)明顯增加了求取的礦物種類，提高了礦產(chǎn)資源含量精度，使造巖元素測(cè)井儀器更為實(shí)用化。

傳統(tǒng)能譜測(cè)量系統(tǒng)由探測(cè)器、前置放大器、主放大電路、脈沖甄別電路、峰值保持電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)采樣和微處理器組成。傳統(tǒng)模擬多道通過成形電路、峰值保持電路后，采集峰值獲得能譜[1]。此類模擬多道能譜儀主要采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)周期較長(zhǎng)、抗干擾能力較弱、受溫度影響大、系統(tǒng)靈活性差。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，核信號(hào)處理技術(shù)得到了極大的發(fā)展和進(jìn)步[2-5]。數(shù)字能譜測(cè)量系統(tǒng)隨之出現(xiàn)。數(shù)字化譜儀系統(tǒng)對(duì)比模擬譜儀系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢(shì),是目前的發(fā)展方向[6]。該系統(tǒng)采用ADC進(jìn)行脈沖采樣，電路不存在死區(qū)時(shí)間；同時(shí)，采用高速現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)作為信號(hào)處理芯片，可以在控制ADC進(jìn)行高速采集的過程中，同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、脈沖濾波、脈沖成型、幅值分析、能譜計(jì)數(shù)等功能[7]。硬件計(jì)算能力的提高使得核信號(hào)處理方法也得到了提高[8-10]。使用濾波成型算法能夠有效減小核脈沖信號(hào)中電子學(xué)噪聲和彈道虧損等對(duì)能量分辨率的影響[11]。脈沖濾波成型方法主要有高斯成型、梯形成型、尖頂成型。數(shù)字能譜測(cè)量系統(tǒng)使用尖頂成型算法，有效地減少了核信號(hào)的白噪聲和計(jì)數(shù)率的損失。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文研制了一款能夠在高溫高壓下正常工作的數(shù)字多道電路板，通過多次芯片選型、電路改進(jìn)和相應(yīng)試驗(yàn)，使數(shù)字多道系統(tǒng)達(dá)到耐高溫、高壓的條件。

數(shù)字多道系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字多道系統(tǒng)框圖 Fig.1 Block diagram of digital multi-channel system

數(shù)字多道分析系統(tǒng)分為快速前置放大器部分、核信號(hào)處理存儲(chǔ)部分、電源供電部分、電路板溫度監(jiān)測(cè)部分、通信部分，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于將核信號(hào)處理算法、CAN總線通信以IP核形式固化到FPGA內(nèi)。在高溫狀態(tài)下，考慮到需要對(duì)電路板的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)，在設(shè)計(jì)中加入了實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)模塊。在芯片選型和設(shè)計(jì)電路時(shí)，都需要考慮到高溫條件。這給設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。因此，從電源到高速ADC，整個(gè)系統(tǒng)都選用了能夠承受高溫的芯片。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 芯片選型

由于本電路需要在高溫的環(huán)境下運(yùn)行，選擇芯片時(shí)要考慮其工作溫度范圍。例如，ADC芯片、FPGA芯片、通信芯片、電源芯片都選擇了適用于高溫的型號(hào)。

2.1.1 ADC芯片選型

市場(chǎng)上能夠同時(shí)滿足高溫、高速條件的ADC芯片很少。查找相關(guān)資料后，有兩款芯片大致滿足電路設(shè)計(jì)需求，分別是ADS5500-EP和AD7981。

ADC芯片基本特性如表1所示。

表1 ADC芯片基本特性 Tab.1 Basic characteristics of ADC chip

AD7981是 Analog Devices 公司生產(chǎn)的高溫單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。FLATPACK封裝版最高工作溫度可達(dá)到210 ℃，但工作速度達(dá)不到要求。ADS5500-EP是Texas instruments公司生產(chǎn)的一款軍用增強(qiáng)型14位125 MS/s、單通道、低功耗的高速ADC芯片。在高溫特性上，這款芯片可以在150 ℃的情況下連續(xù)工作10 500 h；在轉(zhuǎn)換速度上，這款芯片可以達(dá)到125 MS/s的轉(zhuǎn)換速度，高于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求100 MS/s的轉(zhuǎn)換速度，因此符合這次設(shè)計(jì)需求。在溫度監(jiān)測(cè)部分，第一版使用的是AD7298，在高溫測(cè)試過程中出現(xiàn)不能工作的現(xiàn)象，故更換為ADS1234-HT數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。該芯片采用陶瓷封裝，在155 ℃的環(huán)境溫度下依然可以正常工作。

2.1.2 FPGA芯片選型

在FPGA的芯片選擇上，第一版設(shè)計(jì)使用ALTERA公司生產(chǎn)的MAX10系列的芯片。但是在隨后的高溫試驗(yàn)中，當(dāng)烤箱溫度超過120 ℃時(shí)，數(shù)字多道電路系統(tǒng)遇到了死機(jī)情況，在數(shù)字多道電路板上的溫度檢測(cè)模塊反映出來的芯片溫度高出環(huán)境溫度近50 ℃，并且多次測(cè)試的結(jié)果都相同。經(jīng)過多次分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)FPGA供電端的電流在試驗(yàn)溫度達(dá)到100 ℃的時(shí)候開始不規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)試驗(yàn)溫度超過130 ℃時(shí)，F(xiàn)PGA電流過大，導(dǎo)致產(chǎn)熱量過高，F(xiàn)PGA死機(jī)。因此，在選擇新的FPGA芯片時(shí)，不僅需要考慮芯片的耐高溫程度，還需要考慮FPGA芯片的自身功耗問題。在對(duì)比了多款FPGA芯片后，選擇了ACTEL公司生產(chǎn)的A3P1000型FPGA。這款芯片在典型應(yīng)用條件下電流僅為8 mA，比同類產(chǎn)品低一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且在成本、性能、安全性上都有較好的表現(xiàn)。隨后的測(cè)試也表明，其可以在155 ℃的溫度下正常工作。

FPGA芯片基本特性如表2所示。

表2 FPGA芯片基本特性 Tab.2 Basic characteristics of FPGA chip

2.2 核心電路設(shè)計(jì)

核心電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、FPGA外圍電路、通信電路、溫度檢測(cè)電路組成。

2.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)輸入端使用差分輸入，減小了共模信號(hào)干擾，提高了輸入信號(hào)的精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要用于對(duì)采集的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、高精度的采樣編碼，將脈沖幅值轉(zhuǎn)換為FPGA可以處理的數(shù)字量。電路增加匹配電阻可以降低信號(hào)邊沿的陡峭程度，減少干擾。

2.2.2 FPGA外圍電路

FPGA是數(shù)字化信號(hào)處理的核心，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化脈沖成形、觸發(fā)和幅度分析等算法[12]。ADC通過并行接口與FPGA的I/O連接。FPGA為ADC提供采樣時(shí)鐘。在FPGA的周圍設(shè)計(jì)了四個(gè)狀態(tài)指示燈，用于在測(cè)試時(shí)觀察多道電路板的狀態(tài)。

2.2.3 溫度檢測(cè)電路

在溫度檢測(cè)部分，試驗(yàn)環(huán)境中的烤箱溫度和數(shù)字多道電路板的溫度存在一定差異，并且在實(shí)際井下測(cè)量時(shí)也需要對(duì)儀器溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)以AD590溫度傳感器為主的溫度檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)數(shù)字多道電路板的溫度。AD590溫度傳感器采集的溫度信息是模擬量，所以加入了ADS1234-HT模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。這款芯片采用陶瓷封裝，可以在-55～+210 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。在實(shí)際的測(cè)試中，從溫度傳感器上傳出的溫度要高于烤箱溫度接近2 ℃。因此在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的時(shí)候，環(huán)境溫度和數(shù)字多道板上的溫度仍存在一定的差距。

溫度檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 溫度檢測(cè)電路 Fig.2 Temperature detection circuit

2.2.4 通信電路

數(shù)字多道板使用CAN總線，向上位機(jī)發(fā)送經(jīng)過處理的脈沖信號(hào)。CAN接口電路如圖3所示。

圖3 CAN接口電路 Fig.3 CAN interface circuit

通信部分由SN65HVD233SJD型號(hào)的CAN接口芯片和ISO7221MD型號(hào)的數(shù)字隔離器芯片組成。CAN接口芯片采用陶瓷封裝，可以在-55～+210 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。

采用CAN通信的原因是：CAN通信具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；最重要的是，其采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。

3 信號(hào)處理

LaBr3探測(cè)器輸出的核脈沖信號(hào)包含了輻射的能量信息。多道系統(tǒng)通過提取并統(tǒng)計(jì)核脈沖信號(hào)的幅度，生成能譜曲線。

信號(hào)處理步驟如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理步驟示意圖 Fig.4 Signal processing step

系統(tǒng)首先對(duì)采集到的原始核脈沖信號(hào)進(jìn)行高速ADC采樣，得到數(shù)字核脈沖信號(hào)，然后傳輸?shù)紽PGA中作數(shù)字信號(hào)處理。在高計(jì)數(shù)率的情況下，對(duì)于堆積脈沖的甄別也會(huì)下降。

本文采用尖頂成型算法，可以接收到粒子擊中事件的時(shí)間信息，并測(cè)量相鄰脈沖的時(shí)間間隔，以判斷堆積，從而改善計(jì)數(shù)率的準(zhǔn)確性。

尖頂成型脈沖響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 尖頂成型脈沖響應(yīng)曲線 Fig.5 Impulse response curve of cusp forming

尖頂成型分為以下三個(gè)區(qū)域：

①RT區(qū)域表示指數(shù)增長(zhǎng)；

②FT區(qū)域表示頂部；

③DT區(qū)域表示指數(shù)衰減。

在數(shù)字域中，每個(gè)區(qū)域的持續(xù)時(shí)間由數(shù)字樣本的相應(yīng)數(shù)量表示。

在實(shí)際的高速硬件系統(tǒng)中，指數(shù)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)具有難度。對(duì)此，本文使用線性插值來化簡(jiǎn)指數(shù)運(yùn)算。

r(n)=x(n)+ar(n-L)-akx(n-k)

(1)

(2)

q(n)=q(n-1)+[r(n)-r(n-L-1)]-[p(n-1)-p(n-L-1)]

(3)

(4)

式中：x(n)為單位脈沖。

這是因?yàn)椋↑c(diǎn)數(shù)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位寬限制，很小的數(shù)和很大的數(shù)計(jì)算，不僅會(huì)使結(jié)果偏差過大，還會(huì)加大運(yùn)算的復(fù)雜性。式(1)為指數(shù)增長(zhǎng)部分，式(2)為指數(shù)衰減部分，式(3)為頂部，式(4)為式(1)～式(3)相加得到的結(jié)果[13]。

利用Matlab軟件進(jìn)行信號(hào)仿真，將負(fù)指數(shù)信號(hào)展開,得到的脈沖信號(hào)展開如圖6所示。再用式(4)將脈沖信號(hào)合成為尖頂信號(hào)，信號(hào)處理前后對(duì)比封閉圖如圖7所示。信號(hào)處理前后幅值一致，有效減少了計(jì)數(shù)率損失的情況。

圖6 信號(hào)展開示意圖 Fig.6 Schematic diagram of signal expansion

圖7 信號(hào)處理前后對(duì)比圖 Fig.7 Comparison before and after signal processing

4 系統(tǒng)高溫測(cè)試

數(shù)字多道高溫測(cè)試使用了溴化瀾探測(cè)器測(cè)量放射源Cs-137，在環(huán)境溫度超過100 ℃時(shí)進(jìn)行記錄，每隔10 ℃記錄一次數(shù)字多道板發(fā)送的頻譜和原始脈沖。高溫環(huán)境由烤箱提供。

試驗(yàn)記錄多道電路板上傳到上位機(jī)的譜數(shù)據(jù)和FPGA的工作溫度、功率。試驗(yàn)設(shè)備有：負(fù)高壓電源、數(shù)字多道板供電電源、計(jì)算機(jī)、溴化瀾探測(cè)器、數(shù)字多道電路板、高溫烤箱。

當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到155 ℃時(shí)，采集Cs-137的能譜圖如圖8所示。

圖8 155 ℃時(shí)采集Cs-137的能譜圖 Fig.8 Energy spectrum of Cs-137 collected at 155 ℃

FPGA環(huán)境溫度曲線如圖9所示。

圖9 FPGA環(huán)境溫度曲線 Fig.9 Enviroment temperature curve of FPGA

經(jīng)過六次對(duì)數(shù)字多道系統(tǒng)的高溫試驗(yàn)，分析所記錄的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

①數(shù)字多道電路板在高溫環(huán)境中工作時(shí)，高溫影響不僅來自環(huán)境溫度，而且還有芯片自身的功耗產(chǎn)生的熱量。由圖6可以看出，隨著烤箱的溫度不斷上升，F(xiàn)PGA的功率在不斷上升。因此，在FPGA芯片選型時(shí)，不僅要注意芯片的性能，還要考慮芯片自身的功耗問題。

②普通的常溫電源芯片已不能滿足高溫條件下正常工作的要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在烤箱溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，普通的電源芯片就開始供電不穩(wěn)；當(dāng)烤箱溫度達(dá)到152 ℃時(shí)，電源芯片停止工作。經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果還是烤箱溫度達(dá)到152 ℃時(shí)，電源芯片停止工作。其原因是芯片帶有過溫保護(hù)功能，超過152 ℃會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

將芯片更換為Texas instruments公司生產(chǎn)TPS76901-HT。這款芯片可以在溫度范圍(-55 ～+210 ℃)內(nèi)正常工作。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.3 Experimental data

5 結(jié)論

本文通過芯片選擇、電路設(shè)計(jì)和高溫試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了在能夠155 ℃高溫環(huán)境下正常工作的數(shù)字多道分析電路。

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，在軟件方面，尖頂成型算法相比其他成型方法，有效改善了計(jì)數(shù)率丟失的問題，提高了系統(tǒng)的能量分辨率。在硬件方面，隨著環(huán)境溫度的升高，數(shù)字多道電路板的FPGA芯片功耗也在升高。

導(dǎo)致電路停止工作的原因不僅是環(huán)境的高溫，還有自身功耗上升產(chǎn)生的熱量。所以在芯片選型和電路設(shè)計(jì)時(shí)，首要考慮的因素就是芯片的功耗。