淺談兩種儀器功能在計算機上的軟、硬件實現(xiàn)
多道幅度分析器和單道定標(biāo)計數(shù)器是從事核科學(xué)實驗常用的實驗儀器，本文描述了這兩種儀器功能在計算機上的軟、硬件實現(xiàn)，并對該虛擬儀器在基于C／S和B／S兩種網(wǎng)絡(luò)模式上的構(gòu)建進行了探討。多道幅度分析器的功能分析和軟、硬件實現(xiàn)多道幅度分析器是對探測到的核脈沖按不同的幅度進行計數(shù)，每個幅度值對應(yīng)一道，最終繪制出道數(shù)―計數(shù)圖，找到計數(shù)峰值對應(yīng)的幅度值，從而對核脈沖進行準(zhǔn)確的能譜分析。要實現(xiàn)該功能，必須要有速度足夠快的數(shù)據(jù)采集卡，因為核脈沖上升沿非�？欤}峰很尖，另外數(shù)據(jù)采集卡還應(yīng)該具有閾值觸發(fā)功能，由于核脈沖的產(chǎn)生具有隨機性，可能在兩個脈沖之間會存在較長時間的本底信號，如果不加區(qū)別地將所有信號都采集進計算機，則一方面會浪費大量的存儲資源，另一方面會大大增加計算機數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，所以需要對數(shù)據(jù)采集進行閾值觸發(fā)，去除大量的無用本底信號，只采集有用的核脈沖信號，從而為計算機爭取寶貴的數(shù)據(jù)處理時間。其次還要求數(shù)據(jù)采集卡具有雙緩沖存儲器結(jié)構(gòu)，從而支持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)采集，當(dāng)一個緩存被采集數(shù)據(jù)填滿后，等待計算機取走，但數(shù)據(jù)采集并不中斷，采集數(shù)據(jù)被暫存到另一個緩存中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不間斷采集，為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理同步進行提供了保證。
而數(shù)據(jù)處理程序的核心是要在所有的采樣點中找出真正的脈沖峰值，并在相應(yīng)幅度對應(yīng)的道中計數(shù)。經(jīng)過長期實驗最終選用的算法是逐個比較采樣點的幅值，如果出現(xiàn)連續(xù)兩個幅值增加后又有連續(xù)兩個幅值減少則認(rèn)為找到了一個真正的脈沖峰值。單道定標(biāo)計數(shù)器的功能分析和軟、硬件實現(xiàn)單道定標(biāo)計數(shù)器是在規(guī)定的時間內(nèi)或定標(biāo)路一定的計數(shù)范圍內(nèi)對經(jīng)過前端放大、濾波成形和電平轉(zhuǎn)換的核脈沖信號進行不同位置的計數(shù)處理，最終得到粒子強度的空間分布。與多道幅度分析器相比，單道定標(biāo)計數(shù)器的功能相對簡單，它不需要對核脈沖的幅度進行刻度，只要核脈沖的幅度達(dá)到一定的閾值就能被甄別而計數(shù)。因此，在選擇硬件時應(yīng)主要考慮它的計數(shù)功能。NI公司的PCI－6602是功能完善的一款高速計數(shù)卡，它最大的計數(shù)率能達(dá)到20M，具有100K、20M和80M三個可選的內(nèi)時鐘，每個卡提供8個計數(shù)通道，能滿足單道定標(biāo)計數(shù)器對多個位置進行核脈沖計數(shù)的實際要求，可以大大提高產(chǎn)品的性價比。在軟件設(shè)計上，重點是定時計數(shù)和定數(shù)計數(shù)的功能實現(xiàn)。通過對PCI－6602提供的基于LABVIEW的驅(qū)動程序的功能分析，知道了該卡能夠在OUT端口產(chǎn)生具有一定寬度的脈沖信號，脈沖寬度是以SOURCE端口的計數(shù)值作為基準(zhǔn)，該計數(shù)值可以通過編程確定。如果將SOURCE端口的信號源設(shè)置為內(nèi)時鐘，那么在規(guī)定的計數(shù)值內(nèi)產(chǎn)生的脈沖寬度的時間間隔就能被確定，利用這個功能便能創(chuàng)造出定時計數(shù)所需要的時間基準(zhǔn)。
同理，如果將SOURCE端口的信號源設(shè)置為外部輸入的脈沖信號，則在規(guī)定的計數(shù)值內(nèi)產(chǎn)生的脈沖寬度就能作為定數(shù)計數(shù)所需要的定標(biāo)基準(zhǔn)。同時該計數(shù)卡還具有脈寬測量的功能，它可以在其GATE端口設(shè)置的脈沖寬度范圍內(nèi)對SOURCE端口的脈沖信號進行計數(shù)，因此，只要將前面在OUT端口產(chǎn)生的具有一定寬度的脈沖引到計數(shù)通道的GATE端口，則就能完成單道定標(biāo)計數(shù)器所要求的定時計數(shù)和定數(shù)計數(shù)功能。下圖是PCI－6602產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號和進行脈寬測量的原理分析。前面提到一個PCI－6602卡最多可以提供8個計數(shù)通道，而至少有一個通道要用來實現(xiàn)定時和定數(shù)功能，所以最終真正可以用到的只有7個計數(shù)通道，如果實際需要多于7個計數(shù)通道，則必須增加計數(shù)卡，如何實現(xiàn)多卡的協(xié)調(diào)工作成為解決問題的關(guān)鍵。PCI－6602計數(shù)卡提供了內(nèi)部RTSI總線用于多計數(shù)卡之間的互連，因此將用于實現(xiàn)定時和定數(shù)功能的通道的OUT端口的輸出信號引到RTSI總線上，所有用于計數(shù)的通道的GATE端口的輸入信號再從RTSI總線上引進，則一個卡上的定時和定數(shù)通道就能為所有用RTSI互連的計數(shù)卡提供定時和定數(shù)基準(zhǔn)，從而順利完成計數(shù)通道的擴展，實現(xiàn)多卡的協(xié)調(diào)工作。目前用該方法已經(jīng)實現(xiàn)了9個計數(shù)卡之間的互連，經(jīng)過實驗驗證工作正常。
PCI－6602產(chǎn)生脈沖和脈寬測量的原理示意基于C／S網(wǎng)絡(luò)模式的虛擬儀器的設(shè)計與實現(xiàn)C／S（客戶機／服務(wù)器）網(wǎng)絡(luò)模式實現(xiàn)的是客戶機和服務(wù)器之間的點對點的數(shù)據(jù)通信，可以在服務(wù)器上裝上數(shù)據(jù)采集硬件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序，并對實時性要求比較高的算法進行初步處理。在服務(wù)器端建立服務(wù)連接，并不斷偵聽客戶機發(fā)送的服務(wù)請求，服務(wù)器程序可根據(jù)不同的服務(wù)請求做出不同的服務(wù)響應(yīng)，滿足客戶機的服務(wù)要求�？蛻魴C端首先需要連接到服務(wù)器程序，然后根據(jù)需要發(fā)出不同的服務(wù)請求，如控制服務(wù)器端數(shù)據(jù)采集的起停、請求傳送已經(jīng)采集到并被初步處理的數(shù)據(jù)等，最后客戶機程序?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進行后續(xù)處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的離線分析。網(wǎng)絡(luò)模式結(jié)構(gòu)圖筆者在實驗室實現(xiàn)了對虛擬多道幅度分析器和虛擬單道定標(biāo)計數(shù)器的基于C／S網(wǎng)絡(luò)模式的異地操作，分別編寫了相應(yīng)的服務(wù)器端程序和客戶機端程序，取得了理想的控制效果。增加了偵聽客戶程序服務(wù)請求的子程序，使得服務(wù)器程序一旦被運行，就處于等待客戶程序操作請求的狀態(tài)，如果偵聽到的服務(wù)請求為開始采集的命令，則服務(wù)器程序開始采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行尋找峰值的初步處理，同時繼續(xù)偵聽停止采集數(shù)據(jù)的服務(wù)請求。數(shù)據(jù)采集停止后服務(wù)器程序可接受客戶程序要求傳送幅度譜數(shù)據(jù)的請求并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送給客戶程序始計數(shù)或停止計數(shù)并向客戶程序發(fā)送各通道的計數(shù)結(jié)果等操作。客戶程序同樣實現(xiàn)的是向服務(wù)器端發(fā)送不同的服務(wù)請求并對得到的計數(shù)結(jié)果進行文件管理和簡單分析的功能。
在服務(wù)器上可以對網(wǎng)絡(luò)屬性進行設(shè)置，決定可以訪問的客戶機以及它們的訪問權(quán)限，有些客戶機可以設(shè)置為觀看并控制服務(wù)器端的應(yīng)用程序，有些客戶機則只能觀看服務(wù)器端的應(yīng)用程序。結(jié)論本文闡述的虛擬多道幅度分析器在低頻核脈沖的幅度分析中取得了很好的效果，在用放射源為鈷60，探頭為高純鍺探測器的現(xiàn)場測試中，當(dāng)采樣率設(shè)為13M，下閾設(shè)為0.3伏時采集1000秒得到了清晰的雙峰值譜線。研制的虛擬單道定標(biāo)計數(shù)器已經(jīng)達(dá)到實用標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已被裝配到中國原子能科學(xué)研究院的多個單位的實驗室。中國糧油儀器網(wǎng) http://www.pfyin.com/
