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基于FPGA和STM32的数字化多道脉冲幅度分析器设计

作　者: 卢圣才
导　师: 周建斌
学　校: 成都理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: FPGA STM32 数字多道脉冲幅度分析器 SPI USB虚拟串口
分类号: TL822.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

核能谱测量技术在高能物理、核物理及核技术应用方面作为一种重要的信息获取手段,逐渐发挥着越来越重要的作用。特别是近年来伴随着全球自然环境条件恶化、地震泥石流等灾害频发、核泄露危机等一系列危害人类生存和生活的问题的出现,核技术测量显得尤为重要。作为X射线荧光分析的重要的组成部分—多道脉冲幅度分析器,为能谱分析提供了有力的支持。它通过把核辐射探测器输出的脉冲信号的幅度转化为一定的数字量,最后经过后级特定的分析处理进而获取射线的能谱信息。多道脉冲幅度分析器在矿产普查与勘探、医疗、环境监测等多各领域发挥着至关重要的作用。伴随着近年来计算机技术、数字电子技术的快速发展,传统的模拟多道脉冲分析器已经逐步被数字化的多道脉冲幅度分析器所代替。相对于模拟的多道脉冲幅度分析器,数字化的多道脉冲幅度分析器在成本、体积、功耗及测量精度和速度方面有着很大的优势。本课题以Altera公司的CYCLONE III系列的EP3C5E144和意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103VET6为主要控制器件进行数字化的多道脉冲幅度分析器设计。外部高速A/D转换器选用AD公司的AD9235,FPGA内部采用Verilog语言设计实现AD采样控制模块、峰值提取模块、双端口RAM设计及控制模块、实时脉冲FIFO缓存模块和SPI读写控制模块。STM32主要作为FPGA和上位机通信的桥梁,通过SPI总线方式与FPGA实现命令的交互与数据的传输,最后通过USB虚拟串口技术实现和上位机软件的信息交互。上位机测试软件通过Visual Studio2005采用C#语言进行编写,同时在谱数据和脉冲数据的曲线绘制上采用了ZedGraph这个开源的的绘图控件,借助它可以很方便快速的完成曲线的绘制。最后,为了测试系统准确性与可靠性,本设计进行了大量的软件仿真验证,保证数据正确稳定后,又对实验室模拟信号和XR-100SDD半导体探测器对55Fe的核脉冲信号进行了测试,最终达到了预期的设计目标。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章引言  10-14
  1.1 选题背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-12
    1.2.1 多道脉冲幅度分析技术的发展  11
    1.2.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 论文研究内容及创新点  12
  1.4 论文的章节安排  12-14
第2章数字核能谱测量的理论基础  14-18
  2.1 数字核能谱测量技术简介  14
  2.2 几种常见核辐射探测器  14-15
  2.3 多道脉冲幅度分析器组成及原理  15-18
    2.3.1 多道脉冲幅度分析器简介  15
    2.3.2 核探测器输出信号特征  15-16
    2.3.3 多道脉冲幅度分析器工作原理  16-18
第3章多道脉冲幅度分析器总体方案设计  18-24
  3.1 总体方案设计简介  18
  3.2 方案的选择  18-19
  3.3 FPGA相关介绍  19-21
  3.4 STM32系列微控制器介绍  21-22
    3.4.1 Cortex-M3处理器  21
    3.4.2 STM32微控制器  21-22
  3.5 FPGA开发流程简介  22-24
第4章硬件电路设计  24-31
  4.1 电源设计电路  24-25
  4.2 信号调理电路  25-26
  4.3 ADC采样电路  26-28
    4.3.1 AD9235介绍  26-27
    4.3.2 AD9235驱动电路设计  27-28
  4.4 FPGA外围电路设计  28-29
  4.5 STM32外围电路设计  29-30
  4.6 其他电路设计  30-31
第5章 FPGA内部模块化设计及仿真  31-48
  5.1 时钟分频控制模块  31-33
  5.2 ADC采样控制模块  33-34
    5.2.1 AD9235采样时序  33-34
    5.2.2 AD9235采样控制器设计  34
  5.3 峰值提取模块  34-38
  5.4 双端口RAM设计及控制模块  38-43
    5.4.1 双端口RAM设计  38
    5.4.2 双端口RAM控制模块  38-43
  5.5 实时脉冲FIFO缓存模块  43-44
  5.6 SPI数据传输控制模块  44-48
    5.6.1 SPI数据接收控制  45-46
    5.6.2 SPI数据发送控制  46-48
第6章系统软件设计  48-56
  6.1 STM32下位机软件设计  48-52
    6.1.1 SPI数据传输  48-50
    6.1.2 USB虚拟串口  50-52
  6.2 上位机软件设计  52-56
    6.2.1 ZedGraph控件简介  52-53
    6.2.2 上位机软件设计  53-56
第7章系统性能测试  56-59
  7.1 SPI通信速度测试  56
  7.2 总体性能测试  56-59
结论  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
攻读学位期间取得学术成果  64

基于FPGA和STM32的数字化多道脉冲幅度分析器设计

内容摘要

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