基于FPGA/STM32的γ能谱多道脉冲幅度分析器设计与实现

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核能谱探测中,常通过脉冲幅度分析技术获取能谱分析辐射信息,多道脉冲幅度分析器作为实现该技术的主要工具,其性能的优劣直接决定能谱测量的准确性。论文基于数字多道的工作原理设计并实现了基于FPGA/STM32的多道脉冲幅度分析器,双芯结构结合了高速核脉冲数字处理能力与外设高可扩展性,采用双指数脉冲梯形成形算法对核脉冲滤波成型,提高了抗噪声和弹道亏损恢复性能,使系统的幅度提取精度更高。论文主要完成工作如下:(1)在核辐射探测特点与基本原理的基础上,针对多道脉冲幅度分析器的工作原理,重点研究了其中核脉冲处理关键技术,分析了主流实现方法。设计了基于FPGA与STM32的异构核心数字多道方案,以AD9226为数模转换芯片,FPGA芯片作为核脉冲数字信号处理核心,STM32为通信、存储主控,使用高速并行接口作为异构芯片间通信方式,硬件TCP/IP协议栈以太网芯片作为多道与上位机通信桥梁,完成数字多道的硬件方案设计,后续实验证明该方案高效稳定。(2)基于FPGA编写Verilog HDL代码实现了数字滤波成形、堆积判弃、基线恢复和幅度提取等核脉冲处理的关键算法,并对实现代码进行了模拟仿真和优化,结果显示FPGA中核脉冲信号处理效果良好。设计出一套在MATLAB/Simulink环境下基于模型的算法设计开发的完整流程,配合Quartus Prime和Model Sim实现从算法公式到模拟仿真再到实现代码最后硬件测试的一体化开发流程,并基于该流程完成了双指数脉冲梯形成形算法在FPGA中的实现。(3)在STM32中实现道址与存储区域地址的映射,设计了通过FSMC外设获取FPGA中脉冲幅度的方法、MCU中谱线形成逻辑、能谱数据保存逻辑和能谱数据以太网传输的通信逻辑,测试结果显示STM32中各功能完好实现。(4)以Na I(Tl)探测器等部件搭建了γ能谱测量系统进行测试,得到系统能量分辨率为8.12%,线性拟合结果显示相关度R~2在0.99以上,能量线性关系良好,整体性能达到实用要求。经过理论研究到设计实现,论文完成了数字多道脉冲幅度分析器的开发,测试结果显示论文设计数字滤波功能效果良好,系统性能达到设计要求,具有实际应用价值。
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