摘要：核脉冲信号的幅度分析是在线核检测仪表的一个重要功能单元，它需要高速可靠的专用逻辑电路为其服务，以便除去信号堆叠、过载、仪表检测死时间等对能谱测量带来的不利影响。为了提高在线核检测仪表的检测性能，仪表中采用了复杂可编程逻辑器件CPLD 来实现活时间补偿、过载检测、信号堆叠抑制等逻辑功能电路。
关键词：在线核检测仪表；信号堆叠检测；CPLD；多单道测谱
Abstract: nuclear pulse amplitude of a signal analysis is nuclear testing instrument online an important function units, it needs high-speed reliable special logic circuit for the service, so as to remove signal stack, overload, instrument testing dead time on energy spectrum of the bad influence of the measurement. In order to improve the nuclear testing instrument online detection performance, instrument with the complex programmable logic device CPLD to achieve live time compensation, overload signal detection, stack such logic function inhibition circuit.
Keywords: online nuclear testing instrument; Stack signal detection. CPLD; Single way more than the spectrum
中图分类号： TL8 文献标识码：A文章编号：
近年来核探测技术在工业中的应用越来越广泛，它已经渗透到各个工业领域。当今世界的工业核仪器正在飞速发展，一些发达国家工业核仪器的年产值已经超过了100亿美元。近几年我国进口的大型自动化生产线中全都采用了大量的核检测仪表。目前全球的经济高速发展，对各种金属矿产资源的需求越来越大，金属矿山产业也进入高速发展阶段。在金属矿山企业的日常生产过程中急需一种能够对矿石和矿粉的品位进行实时在线检测的仪表，以便对生产进行有效的指导。矿石品位在线核检测仪是一种能够对矿石和矿粉的铁品位进行实时在线检测的核检测仪表。仪表的工作原理是高能γ射线照射到矿石上，产生湮没辐射光子和散射光子，湮没辐射光子的产生几率和矿石的品位相关。探测器中的晶体接收到γ 射线，产生荧光，在光电倍增管的光阴极上转换成电子束；光电倍增管在高压电源的电场作用下，产生电子倍增效应，最后在阳极生成电压脉冲，经前置放大器放大，输出，进入主机。主机中的主放大器对射线脉冲再一次进行放大成型，进入脉冲鉴别及幅度分析器[1]。主机通过获取的射线能谱数据和探测器温度、高压等其他信息来进行矿石品位计算和仪表运行控制。
1 采用CPLD 进行设计的原因
为了保证在线检测对实时性的要求，仪表中的脉冲鉴别及幅度分析器等都需要高速可靠的逻辑电路为其服务，在现有的核仪表电路中（包括国外很多先进的核检测仪表）通常采用众多的小规模数字集成电路搭建而成，存在电路规模较大、时序及定时不够准确、电路处理速度较慢、无法实现较复杂的逻辑、调整和电路升级不便，保密性差等问题。为解决上述问题，在本设计中采用CPLD设计技术，采用VerilogHDL硬件编程语言[2]，所有的逻辑处理及相关逻辑控制电路均在一片Altera公司的EPM7160SLC 芯片内部实现。Altera 公司是20 世纪90 年代以来发展较快的PLD 生产厂家，在激烈的市场竞争中，凭借其雄厚的技术实力，独特的设计构思和功能齐全的芯片系列，挤身于世界最大的可编程逻辑器件供应商之列。Altera 公司的PLD 分为CPLD 和FPGA 两类：CPLD 器件逻辑单元大，分解组合能力很强，一个单元可以分解成数十个组合逻辑，因此其产品较适合设计复杂组合逻辑和控制电路；FPGA 器件逻辑单元小，有较多的触发器，适合用来设计需要大量触发器的算法级逻辑电路。
通常，完成相同功能的逻辑电路用FPGA 来实现起来更为容易一些，因为FPGA 内部的资源通常远高于CPLD，但是在本仪表中CPLD 更为适用。原因之一是CPLD 中的逻辑单元是大单元，其变量数可以多达二十几个，采用PAL（即乘积项）结构。由于这样的单元功能强大，一般的逻辑在单元内均可实现，因而其互连关系简单，通过总线即可实现。电路的延时通常就是逻辑单元本身和总线的延时（在数纳秒到十几纳秒之间），CPLD 较适合控制器等逻辑型系统，这种系统的逻辑关系复杂，输入变量多，电路延时可预测，对电路在高速时钟下运行时避免竞争冒险现象有利。原因之二是在CPLD 中，常使用EPROM、E2ROM 和Flash ROM 编程工艺。这种编程工艺可以反复编程，可多达上万次。但其一经编程片内逻辑就被固定（除非擦除），不会由于系统掉电而丢失。芯片内有可以加密的编程位，能够有效地保护知识产权，而在FPGA 中，常用SRAM 编程工艺。这种编程工艺系统掉电后编程信息不能保存，必须与存储器联用，在系统上电时须先对芯片编程，方能使用，
并且很难对存储器加密，不利于保护知识产权。基于以上两点原因最终决定采用CPLD 来进行设计。Altera 公司的CPLD 器件主要有Classic 系列、MAX 3000 系列、MAX 5000 系列、MAX 7000系列、MAX 9000 系列以及最近几年推出的MAX II 系列。MAX 7000 系列在国内应用较为广泛，其结构具有一定的代表性，是Altera 公司销售量最大的产品，属于高性能、高密度的CPLD。在结构上包含逻辑阵列块（LAB）、宏单元、扩展乘积项、可编程连线阵列（PIA）和I/O 控制块。MAX II系列是最近几年新推出的CPLD 系列，它具有功耗低、资源多、速度快及成本低等多方面的优势，但由于该系列芯片只能工作与3.3V、2.5V、1.8V 等低电压系统，而目前核检测仪表的电路均是采用5V 或以上电压，因此在核检测仪表中使用MAX7000 系统较为合适。
2 具体功能模块的设计
在矿石品位在线核检测仪中，对核脉冲信号的幅度分析是通过多个单道[3]来完成的，每个单道电路对落在该单道上下阈值内的脉冲进行判别和计数处理。
本次设计的仪表在测品位工作状态下共提供6 个独立单道进行测量，其中的两个单道用于稳峰。仪表另一个需要提高速度的应用场合就是测谱，由于仪表采用的是单道测谱，因此测谱时间较长，解决的方法就是要增加测谱的单道数目。但是增加单道数目通常会增加电路的规模，增加仪表的成本、复杂性和功耗，在本设计中充分利用了CPLD 在设计复杂逻辑方面的优势，在不增加硬件电路的情况下，在测谱时将6 个独立单道复用成连续的11 个单道，这样在电路规模不变的情况下测谱的能力比原来提高了5 倍（原四道测控仪在测谱时采用两个单道进行测量），大大缩短了测谱时间。具体采用的方法是在测谱时，将6 个独立单道电路的12 个阈值电压（由DAC 提供）连续排布，相邻道的上下阈值共用，此时CPLD 内部的6 个单道电路转换成连续的11 个单道电路，这样就可以用6个单道电路的硬件资源进行连续11 道的同时测谱工作。这部分的电路原理框图如图1 所示：
图1 工作状态的单道及测谱状态下单道的原理框图
CPLD 内部采用同步时序逻辑进行设计，系统时钟采用100MHz，工作过程是每10ns 对工作或测谱状态输入进行检测，根据检测结果选择六个独立单道或11 个连续单道电路结构，与此同时对12 个阈值比较器进行采样，按照单道的工作逻辑进行处理，并根据过载检测电路、堆叠检测电路的处理结果对各单道计数输出进行取舍。通过仿真验证，在阈值比较器信号能够保证的前提下，电路最快可以对脉宽大于30ns 的信号进行准确处理，这样就足以满足本次设计中对脉冲处理速度的要求。
由于核脉冲信号的发生具有随机性，这样就存在多个核脉冲信号在非常相近的时间内同时发生的现象，此时后续处理电路的脉冲信号会发生堆叠现象，造成脉冲幅度失真，影响测量结果。因此，必须用堆叠检测及抑制电路去除畸变的信号。电路工作原理是首先提取各核脉冲信号的起始点信号，然后电路对各起始点信号的间隔进行测量，当测量结果小于整形后的信号脉宽（1μs）时判断为发生信号堆叠，对于发生堆叠的信号要继续进行判断，分清是信号前沿堆叠还是后沿堆叠。对于前沿堆叠，堆叠的信号全部去除；对于后沿堆叠的情况，前面的一个信号给予保留（该信号的幅度信息未失真）以最大限度的保留有用信号。通过实测和理论估算该电路可以将70％～80％的堆叠信号剔除（部分前沿过于接近和幅度过小的脉冲堆叠无法剔除）。目前检索到的国外仪表实现该功能的电路处理的核脉冲宽度最小为3.5μs 以上，而我们通过对CPLD 的合理运用将该项指标提高了3.5 倍（1μs脉宽）。该功能电路可广泛应用于其他核检测仪表中，可以很好的提高仪表的检测性能。
电路对堆叠信号的实际检测情况如图2 所示。
(a)
(b)
(c)
a― 信号前沿堆叠图；b―信号后沿堆叠图；c―多脉冲堆叠图
在本次应用中还利用CPLD 设计了核检测电路中常用的活时间补偿电路以减少实际射线计数率变化对最终测量结果的影响；设计了信号过载处理电路以减少信号放大电路过载对测量引起的误差；设计了极零相消状态检测电路[4]，并能对电路的信号通过率、信号过载情况、堆叠等情况通过驱动相关的LED 发光二极管来进行指示。
3 性能
对矿石品位在线核检测仪表引入 CPLD 技术后的性能进行测试并与传统方法进行比较，采用1.48×109Bq 的137Cs 放射源和Φ100×100mm 的NaI 闪烁体探测器，将探测系统分别与引入CPLD 后的和传统的矿石品位在线核检测仪表的电路连接，表1 和表2 给出了测试结果及比较情况，其中能量分辨率是在计数率为25000 时测量的。
表1 传统方法的矿石品位在线核检测仪表性能参数
最大计数率 能量分辨率 长期稳定性 死时间