專利名稱：隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級在線檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隨機(jī)信號的采集與處理技術(shù)，尤其涉及隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測與 處理技術(shù)，屬于隨機(jī)信號處理與分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨機(jī)信號從表現(xiàn)形式上可以分為兩大類攜帶幅度信息的連續(xù)性隨機(jī)信號和攜帶時(shí)間 信息的脈沖性隨機(jī)信號。其中脈沖性隨機(jī)信號在某些隨機(jī)信號處理和分析應(yīng)用中具有不可 替代的作用。比如在激光信號分析、雷達(dá)信號分析、核材料衰變分析、生物醫(yī)學(xué)信號分析、 噪聲分析中，原始物理對象的反應(yīng)性表現(xiàn)為隨機(jī)事件。這種事件一般需要通過前端電子學(xué) 電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號， 一個(gè)脈沖代表著一次事件，在有限長或無限長的時(shí)間軸上就形成了 隨機(jī)脈沖序列，從而將對原始物理對象的分析探求轉(zhuǎn)換到對隨機(jī)脈沖信號的處理分析上。
隨機(jī)脈沖序列記錄著隨機(jī)事件的發(fā)生時(shí)間和發(fā)生間距這兩個(gè)基礎(chǔ)信息。在平穩(wěn)隨機(jī)過 程中，人們主要關(guān)心事件發(fā)生的相對時(shí)間距離，對這時(shí)間序列信息進(jìn)行進(jìn)一步的概率統(tǒng)計(jì)、 速率計(jì)算、相關(guān)計(jì)算、功率譜密度估計(jì)等后續(xù)分析處理，就能揭示出分析對象的物理本質(zhì)。 因此，隨機(jī)脈沖序列的時(shí)間檢測成為是事件型隨機(jī)信號分析應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這個(gè)過程 通常稱為TDC (Time-Digital-Convert,時(shí)間-數(shù)據(jù)-轉(zhuǎn)換)。特別是，對于納秒級反應(yīng)時(shí)間的 隨機(jī)事件，在lns精度范圍內(nèi)快速而精確地檢測脈沖時(shí)間一直屬于事件型隨機(jī)信號分析應(yīng) 用中的關(guān)鍵和難點(diǎn)。同時(shí)要求檢測是在線、高速、大容量、高度同步地進(jìn)行。
時(shí)間軸上的時(shí)間間隔劃分代表著時(shí)間檢測精度，也即定時(shí)精度，本發(fā)明中將其定義為 時(shí)間倉(Time-Bin)，時(shí)間軸的總長度定義為Block-Size。對于隨機(jī)事件的檢測實(shí)際上轉(zhuǎn)化 為判斷各個(gè)時(shí)間倉內(nèi)是否有脈沖發(fā)生。當(dāng)時(shí)間倉單位由ms、 us或s變?yōu)閚s精度時(shí)而且脈 沖占位也為ns級時(shí)，意味著檢測難度急劇加大、檢測速度要求極高，傳統(tǒng)的TDC檢測方 法已無法勝任。對于這類脈沖的檢測，首要任務(wù)是獲得脈沖發(fā)生的ns級時(shí)間間隔，目前見
4諸報(bào)道的隨機(jī)脈沖的TDC檢測及峰值檢測方法主要停留在W s級或ms級檢測，而且以往 脈沖時(shí)間檢測多為前沿估計(jì)、模擬數(shù)字電路混合設(shè)計(jì)。德國ACAM公司的時(shí)間-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 專用芯片TDC-GP1、 TDC-GP2雖然時(shí)間檢測精度可以達(dá)到125ps，遺憾的是它只能用于兩 個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔檢測，不能應(yīng)對由多個(gè)隨機(jī)脈沖組成的脈沖序列，即無法獲取連續(xù)時(shí) 間軸上的多個(gè)脈沖時(shí)間信息。因此，對隨機(jī)脈沖時(shí)間序列進(jìn)行納秒級檢測仍然是現(xiàn)有技術(shù) 的難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷以及脈沖時(shí)間檢測要求，本發(fā)明的目的是提供一種基于 超高速數(shù)據(jù)采集卡的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級在線檢測系統(tǒng)，本系統(tǒng)能快速而精確地檢 測快邏輯窄脈沖序列中的脈沖時(shí)間，將獲得對快反應(yīng)隨機(jī)序列在有限個(gè)時(shí)間倉軸上的lns 定時(shí)精度的TDC轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于它 包括隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路、超高速數(shù)據(jù)采集卡和PC主機(jī)，隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路 與超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸出端通過PCI總線與PC主機(jī) 連接；隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路產(chǎn)生的快邏輯窄脈沖信號經(jīng)同軸電纜進(jìn)入超高速數(shù)據(jù)采集 卡的輸入通道，在超高速數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)，所述快邏輯窄脈沖信號依次經(jīng)前置濾波電路、衰 減電路、放大電路和采樣率為lGS/s的A/D轉(zhuǎn)換單元處理后轉(zhuǎn)化為FPGA單元(FPGA為 Field Programmable Gate Array的縮寫，即"現(xiàn)場可編程門陣列")可以處理的數(shù)字信 號緩存到緩存器中，由緩存器送入FPGA單元，在FPGA單元內(nèi)完成時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換，利 用本發(fā)明設(shè)計(jì)的特別算法在線檢測出各個(gè)脈沖峰值、脈沖時(shí)間及其時(shí)間間隔并將時(shí)間數(shù)據(jù) (指脈沖時(shí)間和時(shí)間間隔)輸出到PCI接口，脈沖時(shí)間以序列中每個(gè)脈沖的峰值位置標(biāo)定， 精度為lns。
所述FPGA單元包括采樣控制電路、數(shù)據(jù)處理單元、對A/D轉(zhuǎn)換單元予以觸發(fā)的觸發(fā) 控制電路和PCI接口控制電路，各個(gè)脈沖峰值、峰值位置標(biāo)定的脈沖時(shí)間及其時(shí)間間隔的 檢測由數(shù)據(jù)處理單元完成。
FPGA單元對脈沖序列的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換的算法設(shè)計(jì)如下首先設(shè)定一個(gè)門閾值，并預(yù)先定義"起始增量"條件5YartZfe7ts和"有效增量"條件Ka"WZte7te，先快速遍歷掃描 滿足門閾值條件的所有數(shù)據(jù)，如果波形數(shù)據(jù)比最小數(shù)據(jù)上升了 5Yar^fe7ta,則開始搜尋后 續(xù)數(shù)據(jù)流中的最大值及新的波形數(shù)據(jù)，如果波形數(shù)據(jù)從最大值下降了 ^hV/feJte,這時(shí)就 確定剛才的數(shù)據(jù)最大值點(diǎn)為脈沖峰值點(diǎn)，記錄這個(gè)峰值和時(shí)間。
本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集卡按時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換TDC(Time-Digital-Convert)方式采集記錄信號， 直接由卡載FPGA單元在線完成TDC轉(zhuǎn)換，即僅對脈沖信號執(zhí)行本發(fā)明專門設(shè)計(jì)的峰值 檢測算法以記錄脈沖發(fā)生時(shí)間，形成的緩存結(jié)果為脈沖時(shí)間信息數(shù)據(jù)流。
超高速數(shù)據(jù)采集卡采用多通道、lGS/s同步采集系統(tǒng)。各個(gè)通道具有獨(dú)立的采集電路、 處理電路，通過給定一個(gè)外觸發(fā)信號對各通道進(jìn)行邊沿觸發(fā)，各通道開始同步采集信號， 使得各通道信號采集是lns時(shí)間的同步精度，且是lns時(shí)間的采樣精度。
事件型時(shí)間檢測的對象通常是由前端電子學(xué)電路形成的隨機(jī)快邏輯窄脈沖序列。由于 電子學(xué)電路的器件特性局限，脈沖并不是理想的S沖擊，實(shí)際上仍然是帶有上升沿、波峰、 下降沿以及微弱波動的模擬信號。對于事件型的隨機(jī)過程分析還必須對這個(gè)脈沖序列進(jìn)行 進(jìn)一步的數(shù)字化時(shí)間提取，以獲得理想S沖擊序列，最終送交給后端處理機(jī)的數(shù)據(jù)為時(shí)間 軸上對應(yīng)于事件"有"、"無"的"0"、 "1"序列，其中"0"代表有事件發(fā)生，"1"代表 無事件發(fā)生。因?yàn)殡S機(jī)脈沖在大多數(shù)的時(shí)間倉內(nèi)為0，實(shí)際記錄或存儲時(shí)可按數(shù)據(jù)編碼或 壓縮形式處理，可進(jìn)一步記錄為脈沖序列發(fā)生時(shí)間的一維數(shù)組如(2， 8， 13， ......， 8190)，
代表2、 8、 13等時(shí)間倉內(nèi)有事件發(fā)生。這樣，數(shù)據(jù)量將大為減少，有利于時(shí)間信息在整 個(gè)系統(tǒng)中的傳輸、存儲及運(yùn)算。
上述超高速數(shù)據(jù)采集卡得到的脈沖時(shí)間數(shù)據(jù)流再通過PCI總線傳輸?shù)絇C主機(jī)內(nèi)存或 硬盤存儲器，同時(shí)由主機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理如FFT、頻譜、功率譜、相關(guān)函數(shù)等。脈沖信 號的采集、傳輸、存儲、處理采用流水線形式的并行方式，通過PC機(jī)的多核CPU、多線 程方法予以實(shí)現(xiàn)并行工作機(jī)制，以獲得整個(gè)系統(tǒng)檢測、處理和分析的高效協(xié)同性。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)具有如下有益效果
I 、采用硬件、軟件(算法)相結(jié)合的方式構(gòu)造出一種利用PC平臺、采用超高速數(shù) 據(jù)采集卡的脈沖時(shí)間序列的在線檢測系統(tǒng)；其中的關(guān)鍵組件——超高速數(shù)據(jù)采集卡基于 lGS/s超高速A/D轉(zhuǎn)換單元和大容量、高性能FPGA高速處理單元，以序列中每個(gè)脈沖的峰值位置標(biāo)定其脈沖時(shí)間，而峰值位置的確定采用專門設(shè)計(jì)的PeakTDC滯回峰值檢測算 法，時(shí)間精度為lns，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測到隨機(jī)脈沖信號，并將脈沖信號轉(zhuǎn)化為納秒 級的脈沖時(shí)間信息數(shù)據(jù)流，再將該脈沖時(shí)間信息數(shù)據(jù)流傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分 析。
II 、本發(fā)明基于lGS/s超高速A/D轉(zhuǎn)換單元和FPGA高速處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和在線 檢測，能夠快速而精確地檢測快邏輯窄脈沖序列中的脈沖時(shí)間，脈沖時(shí)間的檢測通過載于 FPGA的特別設(shè)計(jì)的PeakTDC滯回峰值檢測算法；本系統(tǒng)可以獲得對快反應(yīng)隨機(jī)事件在有限 個(gè)時(shí)間倉軸上的納秒級隨機(jī)脈沖序列的TDC時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
III、 本發(fā)明檢測結(jié)果精確、檢測速度快，能夠達(dá)到納秒級在線檢測的要求。
IV、 本發(fā)明檢測方法靈活、方便，在適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)后，能夠用以檢測各類脈沖序 列、脈沖對或者堆積脈沖信號，也適應(yīng)寬電壓范圍、正負(fù)極性、周期或隨機(jī)脈沖，除了可 以精確得到脈沖時(shí)間數(shù)據(jù)外，也可以得到脈沖峰值數(shù)據(jù)。
V、 本發(fā)明中脈沖信號的采集、傳輸、存儲、處理采用流水線形式的并行方式，通過 PC機(jī)的多核CPU、多線程方法予以實(shí)現(xiàn)并行工作機(jī)制，以獲得整個(gè)系統(tǒng)檢測、處理和分 析的高效協(xié)同性。
總之，本發(fā)明基于lGS/s超高速A/D轉(zhuǎn)換單元和FPGA高速處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和 在線檢測，能夠快速而精確地檢測快邏輯窄脈沖序列中的脈沖時(shí)間，脈沖時(shí)間的檢測通過 載于FPGA的特別設(shè)計(jì)的PeakTDC滯回峰值檢測算法。本系統(tǒng)可以獲得對快反應(yīng)隨機(jī)事件 在有限個(gè)時(shí)間倉軸上的納秒級隨機(jī)脈沖序列的TDC時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。


圖l一本發(fā)明脈沖時(shí)間序列檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2—本發(fā)明脈沖峰值檢測算法示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作具體描述。
如圖l所示為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)構(gòu)成包括隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路、超高速數(shù)據(jù)采集卡和高性能PC主機(jī)等。隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路與超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入 端連接，超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸出端通過PCI總線與PC主機(jī)連接。
所述超高速數(shù)據(jù)采集卡包括前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路、基于
lGS/s超高速A/D轉(zhuǎn)換單元、8M高速緩存器和大容量、高性能的FPGA高速處理單元(FPGA 為Field Programmable Gate Array的縮寫，即"現(xiàn)場可編程門陣列")。由于國內(nèi)一般 稱100MS/s左右就是高速，本發(fā)明中A/D轉(zhuǎn)換單元采樣率為lGS/s(即1000MS/s，對應(yīng)Ins 的采樣周期)，遠(yuǎn)高于平常所說的高速，這樣的速度通常稱為"超高速"，對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集 卡則稱之為"超高速數(shù)據(jù)采集卡"。這是整個(gè)檢測系統(tǒng)能達(dá)到納秒精度的基礎(chǔ)保證。
隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路(也即快反應(yīng)事件電子學(xué)探測電路)沿用傳統(tǒng)方法，用以將 快反應(yīng)事件轉(zhuǎn)變成以時(shí)間信息為標(biāo)度的快邏輯窄脈沖序列信號并經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡 的輸入通道后，在超高速數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)，所述快邏輯窄脈沖信號依次經(jīng)過前置濾波電路、 衰減電路、可變增益的放大電路和A/D采樣量化轉(zhuǎn)化成FPGA可以處理的數(shù)字信號緩存到 8MB緩存器，再由緩存器送入FPGA單元。在FPGA單元內(nèi)完成時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換，在線檢測 出各個(gè)脈沖峰值、峰值位置標(biāo)定的脈沖時(shí)間及其時(shí)間間隔并將時(shí)間數(shù)據(jù)(指脈沖時(shí)間和時(shí) 間間隔)輸出到PCI接口。在PC主機(jī)端的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的交互控制管理下，進(jìn)行模擬 通道的阻抗匹配、放大器增益大小、偏置、采樣方式、采樣頻率、每次采樣點(diǎn)數(shù)、啟動ADC 及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識別等控制，并將采集到的原始數(shù)據(jù)或處理后數(shù)據(jù)通過PC主機(jī)的PCI總線 接口以DMA方式傳輸?shù)絇C主機(jī)，以供主機(jī)對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行存儲、分析、處理、顯示及打 印輸出等工作。
在上述工作過程中，為滿足lns的檢測精度，采集卡的8bits ADC器件的采樣率為 lGS/s。 lGS/s采樣速率是完全滿足采樣定律并能獲得lns采樣間隔的高精度信號樣本。在 A/D轉(zhuǎn)換單元中，前置濾波使用200MHz帶限濾波濾除信號中的高頻干擾和毛刺。為了維持 原脈沖序列的信號特性不變并符合A/D轉(zhuǎn)換器的電平要求，可以根據(jù)實(shí)際來源信號的峰峰 值、電壓幅度適當(dāng)調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電壓、衰減與放大系數(shù)。經(jīng)過這樣的安排設(shè)定， 8MBytes高速緩存中得到的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果就為8. 192ms時(shí)長的、lns間隔的8位數(shù)字化數(shù) 據(jù)，這組數(shù)據(jù)對應(yīng)的Time-Bin為lns、 Block-Size為8192x106，為后續(xù)峰值檢測和時(shí)間 檢測提供了 Ins精度的基礎(chǔ)保障。采集卡中FPGA單元除了擔(dān)負(fù)采樣控制、觸發(fā)控制和PCI接口控制等基本任務(wù)外(分別 由采樣控制單元、觸發(fā)控制單元和PCI接口模塊完成)，更重要的是進(jìn)行在線的、快速的 數(shù)據(jù)處理，也就是使用采集卡上的基于FPGA的可重配置的卡載數(shù)據(jù)處理單元(DPU， Data Processing Unit)直接處理采集到的數(shù)據(jù)以獲得檢測結(jié)果。這樣， 一方面利用了FPGA的 快速處理能力，另一方面可提高有用數(shù)據(jù)的吞吐量，降低了PCI總線的負(fù)擔(dān)。DPU實(shí)際上 是一種高性能、快速FPGA實(shí)現(xiàn)，對于特別應(yīng)用處理可以獲得比DSP還快的處理速度，可 以在8. 5ns內(nèi)執(zhí)行多個(gè)應(yīng)用。作為一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的FPAG提供28672個(gè)邏輯單元、 96個(gè)結(jié)果為36位的專用18位xl8位乘法器，還提供近1.7M位的片上處理存儲器。FPGA 上的DPU單元使得采集卡具有分析能力，可以重新配置，以執(zhí)行各種卡載實(shí)時(shí)信號處理功 能，在系統(tǒng)中完成在線數(shù)據(jù)處理如TDC、 FFT、數(shù)據(jù)簡化、過濾等。本發(fā)明配置的DPU單元 的功能為將采集到的脈沖序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，在線檢測出各個(gè)脈沖的峰值及其時(shí)間 間隔，在獲得各個(gè)脈沖時(shí)間后，隨即舍棄其它所有原始A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值，輸出到PCI接口 的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)量大為減少的峰值數(shù)組和時(shí)間數(shù)組。如果不關(guān)心峰值幅度只關(guān)心時(shí)間信息， 則峰值幅度可以擯棄不用。
同步采集系統(tǒng)可構(gòu)成形式完全相同的、具有獨(dú)立的A/D采集電路、FPGA處理電路的 多個(gè)通道(如3、 5個(gè)通道)；通過給定一個(gè)統(tǒng)一的外觸發(fā)信號對各通道進(jìn)行邊沿觸發(fā)，使 得各通道開始同步采集信號，實(shí)現(xiàn)多通道信號的同步性采集，每采樣點(diǎn)的采樣是在各通道 采集時(shí)鐘(lns周期)的下降沿完成的。這樣的采集機(jī)制保證了多通道信號采集是lns時(shí) 間的同步精度，且是lns時(shí)間的采樣精度。
如圖2所示為本發(fā)明在線峰值檢測的處理算法示意圖，現(xiàn)將該算法命名為"PeakTDC 滯回峰值檢測"算法。以下具體描述FPGA進(jìn)行脈沖時(shí)間檢測的在線處理過程。
脈沖信號波形經(jīng)高速采樣后的數(shù)字量化值范圍為
，信號電壓幅度volts[i]和量 化數(shù)據(jù)data[i]之間的關(guān)系用下面公式表達(dá) data[i] = (volts[i〗+ offset) * 255 / FS
式中定義
data[i] ------時(shí)間位置i處的8位ADC整數(shù)量化值
volts[i]-——_時(shí)間位置i處的浮點(diǎn)數(shù)電壓值
9offset ……預(yù)先設(shè)置的浮點(diǎn)數(shù)電壓偏移值 FS -…-預(yù)先設(shè)置的浮點(diǎn)數(shù)電壓量程值
例如，對于0 800mV的正極性脈沖信號，預(yù)設(shè)offset=0.0mV, FS=1.0V,則得到的量 化數(shù)據(jù)在0 204之間。后端PC機(jī)得到的峰值數(shù)據(jù)通常是數(shù)字量化值數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以隨 時(shí)與實(shí)際電壓值相互換算。
按前述硬件構(gòu)建安排，系統(tǒng)一次采樣時(shí)間深度為8. 192ms，采樣數(shù)據(jù)為8192個(gè)，每個(gè) 數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間剛好為lns。卡載FPGA的在線處理固件PeakTDC就是對這組電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行 實(shí)時(shí)檢測，以獲得隨機(jī)脈沖的峰值數(shù)據(jù)和峰值時(shí)間位置信息。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的"PeakTDC滯回峰值檢測"算法示意如圖2，其中P點(diǎn)、P'點(diǎn)即為需 要檢測出的脈沖峰值及其時(shí)間位置，5YartZfe7te為預(yù)先定義的"起始增量"條件， KahVZfe7te預(yù)先定義的"有效增量"條件。該P(yáng)eakTDC滯回峰值檢測算法的核心依據(jù)是 脈沖峰值點(diǎn)必定是波形中有一定的起始增量幅度以及下降增量幅度的最大值點(diǎn)，其基本工 作原理如下所述首先，在數(shù)據(jù)采樣期間，為進(jìn)一步減少處理數(shù)據(jù)量、提高FPGA在線處 理速度，需要設(shè)定一個(gè)門閾值，該閾值用以擯棄與峰值電壓相距較遠(yuǎn)的低電壓波動，也即 門閾值以下的電壓值直接限定為0，門閾值以上的電壓值予以保留；然后開始對這組大多 數(shù)數(shù)據(jù)已變?yōu)?的數(shù)據(jù)序列開始進(jìn)行峰值檢測，而且檢測的數(shù)據(jù)對象僅針對門闞值以上的 數(shù)據(jù)。然后，開始遍歷掃描滿足門閾值條件的所有數(shù)據(jù)，如果波形數(shù)據(jù)比最小數(shù)據(jù)上升了 ^ar^e7ta,則開始搜尋后續(xù)數(shù)據(jù)流中的最大值及新的波形數(shù)據(jù)，如果波形數(shù)據(jù)從最大值 下降了 fe7ioZfe7te,這時(shí)就確定剛才的數(shù)據(jù)最大值點(diǎn)即為峰脈沖峰值點(diǎn)，記錄這個(gè)峰值和 時(shí)間；隨后繼續(xù)搜尋后續(xù)的滿足上升了分art/fe7te和下降了 ^7icZfe7te的最大值點(diǎn)，直 到檢測出所有脈沖峰值點(diǎn)。使用這種峰值檢測方法，即使脈沖與脈沖之間距離很近，也能 正確檢出。
針對正極性脈沖，PeakTDC滯回峰值檢測的在線處理步驟如下
步驟l:從滿足門閾值gate的數(shù)據(jù)V[O]處開始逐點(diǎn)掃描，同時(shí)更新數(shù)據(jù)最小值Vmi『 min(V[O]， V[l]，…，V[iS])，逐點(diǎn)判斷后續(xù)數(shù)據(jù)，找尋到比Vrain值上升了5Y杠t/te"a的數(shù) 據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)位置標(biāo)記is。即求取及 》+ 6YaWZfe7te (1)
步驟2:繼續(xù)掃描后續(xù)數(shù)據(jù)，同時(shí)更新數(shù)據(jù)最大值
Vmax-max(V[iS],V[iS+l]…V[imax])，逐點(diǎn)判斷后續(xù)數(shù)據(jù)，找尋到比Vraax值下降了 ^hVZfe"a^^^^,點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)位置標(biāo)記為iv，最大值位置標(biāo)記為iM。即求取
及 K/i'K_/《F，-隨襲7te (2) 步驟3:如果存在同時(shí)滿足步驟1和步驟2的條件(1)、條件(2)的數(shù)據(jù)最大值V[iM]，則 記錄其數(shù)據(jù)值和位置值(V[iM]，iM),該記錄即確定為P對應(yīng)的峰值數(shù)據(jù)和峰值位置。 步驟4:返回步驟l，重復(fù)處理，但從V[iV+l]點(diǎn)開始繼續(xù)掃描檢測。 經(jīng)過上述PeakTDC滯回峰值檢測的處理算法，最終可以檢測出P、 P'…為真實(shí)峰值點(diǎn)； 波形起伏的高點(diǎn)因?yàn)椴煌耆珴M足峰值條件，就判斷為脈沖的隨機(jī)波動頂而不予記錄。這樣， 8192xl06個(gè)量化數(shù)據(jù)中的非峰值數(shù)據(jù)及其位置全部擯棄，峰值幅度如不關(guān)心也可擯棄，單 次采樣結(jié)果就直接轉(zhuǎn)化為代表脈沖時(shí)間的峰值位置的一維數(shù)組(iMl，iM2，…，iMn)，形成 數(shù)據(jù)量已大大減少的供后續(xù)PCI傳輸、主機(jī)分析的數(shù)據(jù)流，其中n為脈沖數(shù)。在對單次采樣 結(jié)果的上述處理步驟中，如果所有數(shù)據(jù)小于門閾值gate，則表示沒有脈沖峰值出現(xiàn)，脈沖 數(shù)記錄為『0;如果僅滿足條件(l)、而不滿足條件(2)，也表示沒有脈沖，脈沖數(shù)記錄為 n=0。
針對負(fù)極性脈沖，通過對原始采樣數(shù)據(jù)取反后，再執(zhí)行上面的PeakTDC滯回峰值檢測 算法，同理可以獲得代表脈沖時(shí)間的峰值位置信息數(shù)據(jù)流。
實(shí)際上，本發(fā)明述檢測方法在適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)后，能夠用以檢測各類脈沖序列、脈 沖對或者堆積脈沖信號，也適應(yīng)寬電壓范圍、正負(fù)極性、周期或隨機(jī)脈沖，除了可以精確 檢測脈沖時(shí)間外，也可以得到脈沖峰值數(shù)據(jù)。 權(quán)利要求
1、隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于它包括隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路、超高速數(shù)據(jù)采集卡和PC主機(jī)，隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路與超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸出端通過PCI總線與PC主機(jī)連接；隨機(jī)事件電子學(xué)探測電路產(chǎn)生的快邏輯窄脈沖信號經(jīng)同軸電纜進(jìn)入超高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入通道，在超高速數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)，所述快邏輯窄脈沖信號依次經(jīng)前置濾波電路、衰減電路、放大電路和采樣率為1GS/s的A/D轉(zhuǎn)換單元處理后轉(zhuǎn)化為FPGA單元可以處理的數(shù)字信號緩存到緩存器中，由緩存器送入FPGA單元，在FPGA單元內(nèi)完成時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換，在線檢測出各個(gè)脈沖峰值、峰值位置標(biāo)定的脈沖時(shí)間及其時(shí)間間隔并將時(shí)間數(shù)據(jù)輸出到PCI接口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于所述 FPGA單元包括采樣控制電路、數(shù)據(jù)處理單元、觸發(fā)控制電路和PCI接口控制電路，其中 各個(gè)脈沖峰值、峰值位置標(biāo)定的脈沖時(shí)間及其時(shí)間間隔的檢測由數(shù)據(jù)處理單元完成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于 FPGA單元對脈沖序列的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換采用PeakTDC滯回峰值檢測算法確定首先設(shè)定 一個(gè)門閾值，并預(yù)先定義"起始增量"條件Startife7te和"有效增量"條件^力V/fe7te， 先快速遍歷掃描滿足門閾值條件的所有數(shù)據(jù)，如果波形數(shù)據(jù)比最小數(shù)據(jù)上升了 分aWZfe7te,則開始搜尋后續(xù)數(shù)據(jù)流中的最大值及新的波形數(shù)據(jù)，如果波形數(shù)據(jù)從最大值 下降了 KWA/ZfeJte,這時(shí)就確定剛才的數(shù)據(jù)最大值點(diǎn)為脈沖峰值點(diǎn)，記錄這個(gè)峰值和時(shí)間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于所述 PeakTDC滯回峰值檢測算法的在線處理步驟如下步驟l:從滿足門閾值gate的數(shù)據(jù)V[O]處開始逐點(diǎn)掃描，同時(shí)更新數(shù)據(jù)最小值Vmi『 min(V
,V[l]，…，V[iS])，逐點(diǎn)判斷后續(xù)數(shù)據(jù)，找尋到比Vmin值上升了5Y3^/fe7te的數(shù) 據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)位置標(biāo)記is;即求取肌'/7,_/, K/U…，K/i.幼 及 K/"i57》版i/ + 5YartZte"a (1) 步驟2:繼續(xù)掃描后續(xù)數(shù)據(jù)，同時(shí)更新數(shù)據(jù)最大值Vmax=max(V[iS]，V[iS+lh.V[imax])，逐點(diǎn)判斷后續(xù)數(shù)據(jù)，找尋到比Vmax值下降了 Kah'oZ e7te必^^^點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)位置標(biāo)記為iv，最大值位置標(biāo)記為iM;即求取 K/i'J/_7 二駆(T/"說W5W乂…，K/YK" 及 K/7K_7《- fe7/必e7te (2) 步驟3:如果存在同時(shí)滿足步驟1和步驟2的條件(1)、條件(2)的數(shù)據(jù)最大值V[iM]，則 記錄其數(shù)據(jù)值和位置值(V[iM]， iM),該記錄即確定為某脈沖對應(yīng)的峰值數(shù)據(jù)和峰值位置; 步驟4:返回步驟l，重復(fù)處理，但從V[iV+l]點(diǎn)開始繼續(xù)掃描檢測。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于超高速 數(shù)據(jù)采集卡具有多通道、1GS/s同步采集系統(tǒng)，各個(gè)通道具有獨(dú)立的采集電路和處理電路， 通過給定一個(gè)外觸發(fā)信號對各通道進(jìn)行邊沿觸發(fā)，各通道開始同步采集信號，使得各通道 信號采集是lns時(shí)間的同步精度，且是lns時(shí)間的采樣精度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，其特征在于所述 PC主機(jī)為可實(shí)現(xiàn)脈沖信號并行工作機(jī)制的多核CPU、多線程PC主機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于超高速數(shù)據(jù)采集卡的隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的納秒級檢測系統(tǒng)，本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，尤其涉及隨機(jī)脈沖時(shí)間序列的檢測與處理技術(shù)。本系統(tǒng)基于1GS/s超高速A/D轉(zhuǎn)換單元和FPGA高速處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和在線檢測，能夠快速而精確地檢測快邏輯窄脈沖序列中的脈沖時(shí)間。脈沖時(shí)間的檢測通過載于FPGA的特別設(shè)計(jì)的PeakTDC滯回峰值檢測算法，以脈沖峰值位置標(biāo)定脈沖時(shí)間，時(shí)間精度為1ns。系統(tǒng)可以獲得對快反應(yīng)隨機(jī)事件在有限個(gè)時(shí)間倉軸上的納秒級隨機(jī)脈沖序列的TDC時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對于多通道脈沖信號的檢測是在線、高速、大容量、高度同步地進(jìn)行。
文檔編號G01R29/02GK101504431SQ200910103218
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者勇 任, 鵬 馮, 唐躍林, 米德伶, 彪 魏 申請人:重慶大學(xué)