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        1. 北京北信科遠(yuǎn)儀器有限責(zé)任公司

          主營(yíng)產(chǎn)品: 平原型空盒大氣壓計(jì),固液體比重計(jì)

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          虛擬儀器法設(shè)計(jì)伽瑪能譜儀

          2016-7-13  閱讀(733)

          伽瑪射線能譜測(cè)量是一種重要的核地球物理方法,是解決地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等有關(guān)問(wèn)題的主要手段之。隨著科技的不斷發(fā)展,伽瑪能譜儀的研究技術(shù)不斷趨于成熟,其設(shè)計(jì)朝著多道便攜式、微機(jī)化、多功能的方向發(fā)展。先后出現(xiàn)了AMPTEK公司生產(chǎn)的GAMMA -8000(512道)m、Terraplus公司生產(chǎn)的GR320(可選道數(shù)256/512)及北京核儀器廠生產(chǎn)的BH1936A(1024道)12-3.此類儀器設(shè)計(jì)均采用:伽瑪能譜探測(cè)器、多道脈沖幅度分析器和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成。因此,目前出現(xiàn)的能譜儀產(chǎn)品均是采用核探測(cè)器加上獨(dú)立的多道脈沖幅度分析器,價(jià)格昂貴,缺乏靈活性和可擴(kuò)充性。

            虛擬儀器技術(shù)(VI)將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在儀器領(lǐng)域,改變傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用方式,實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息遠(yuǎn)程共享、綜合分析、評(píng)估等功能。本文利用“軟件就是儀器”的思想,結(jié)合軟件工程設(shè)計(jì)原理完成虛擬儀器開發(fā)。其特色是在伽瑪能譜儀的開發(fā)過(guò)程中引入了虛擬儀器技術(shù),使開發(fā)出來(lái)的儀器不管是硬件還是軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)互換性的特點(diǎn)。

            1硬件組成能譜儀由伽瑪能譜探頭、通用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。伽瑪能譜探測(cè)器采用通用NaI探頭:信號(hào)幅度0.05~3.5V,輸出信號(hào)幅度范圍為0 ~6.8V,信號(hào)脈沖寬度1~5ps,能量分辨率矣12%.通用數(shù)據(jù)采集卡采用MeasurementComputing公司的PCI -DAS4020/12,該卡為四道PCI總線插卡,其模擬輸入分辨率為12bits,采樣速率可達(dá)20MHzH.計(jì)算機(jī)為普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)。組成伽瑪能譜儀的硬件都是通用組件,不需進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。

            軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案概述本設(shè)計(jì)利用LabVIEW平臺(tái)強(qiáng)大的開發(fā)功能進(jìn)行前面板和測(cè)試功能程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含數(shù)據(jù)流管理、采集控制、多道幅度分析和譜分析等功能模塊。

            其工作過(guò)程可大致描述如下:通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集,利用采集控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地處理、傳輸及存儲(chǔ),然后將數(shù)據(jù)送入多道幅度分析模塊完成譜數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)化,與此同時(shí),調(diào)用實(shí)時(shí)顯示模塊將譜數(shù)據(jù)以圖形的形式進(jìn)行顯示。系統(tǒng)還提供了譜分析功能模塊,根據(jù)用戶的不同需要完成對(duì)譜數(shù)據(jù)的各種性能處理。

            伽瑪能譜儀面板設(shè)計(jì)前面板設(shè)計(jì)采用符合Windows界面編制準(zhǔn)則的菜單編輯器實(shí)現(xiàn),菜單功能主要通過(guò)Event Structure結(jié)構(gòu)完成15-6,為用戶提供簡(jiǎn)潔、友好的編輯環(huán)境。前面板主要包括:菜單、譜線顯示窗口、采集控制、采集卡配置、含量信息顯示等功能模塊。

            米用Queue技術(shù)的多線程米集程序代碼如所示:2.3關(guān)鍵技術(shù)分析在以軟件為核心的虛擬儀器系統(tǒng)中,軟件不但要完成對(duì)采集卡的控制,還要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、顯示、響應(yīng)用戶指令等系列任務(wù),有時(shí)還要完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸;因此,系統(tǒng)開銷很大,對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。

            以數(shù)據(jù)采集控制模塊為例,在采集模塊中要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制的同時(shí),還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。在盡可能的提高運(yùn)行效率的同時(shí),還要避免各個(gè)進(jìn)程之間的速度不匹配,如:當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊運(yùn)行速度快于數(shù)據(jù)分析模塊運(yùn)行速度,就會(huì)使某些數(shù)據(jù)得不到分析,反之,會(huì)使同一次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次分析,數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析模塊速度不匹配的話,也會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

            譜數(shù)據(jù)讀取對(duì)話框?yàn)闈M足實(shí)時(shí)性要求,并保證數(shù)據(jù)的完整性,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“Queue緩存多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制”:該機(jī)制采用*先出(FIFO)的結(jié)構(gòu)作為公共數(shù)據(jù)域,為各個(gè)功能模塊提供獨(dú)立又相互制約的數(shù)據(jù)通道。

            為三個(gè)進(jìn)程提供數(shù)據(jù)緩存,進(jìn)而制約了三個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程之間的調(diào)用,從而解決了速度匹配問(wèn)題。具體程序中三個(gè)任務(wù)在獨(dú)立的while循環(huán)線程中運(yùn)行,程序開始時(shí)由CreateQueue.vi創(chuàng)建了原始數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)兩個(gè)隊(duì)列,然后把采集到的數(shù)據(jù)由InsertQueueElement.vi插入到原始數(shù)據(jù)隊(duì)列中,在第二個(gè)while中,由RemoveQueueElement.vi把數(shù)據(jù)移出隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)隊(duì)列Queue起到了約束、補(bǔ)償?shù)木彺孀饔?,制約了三個(gè)線程的數(shù)據(jù)調(diào)用,使得三個(gè)獨(dú)立的線程相互,避免了數(shù)據(jù)遺漏或是重復(fù)分析的情況。

            2.4功能模塊設(shè)計(jì)2.4.1數(shù)據(jù)流管理數(shù)據(jù)流操作與管理是測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)的重要組成部分,根據(jù)能譜儀的實(shí)際需求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下幾種文件類型:數(shù)據(jù):2048道譜數(shù)據(jù)、采集時(shí)間、總峰數(shù)、UThK含量??稍谄渌谋揪庉嬈鳎ㄈ缬浭卤荆┗螂娮颖砀瘢ㄈ鏓XCEL)中打開。譜文件讀取對(duì)話框如所示。

            值的數(shù)據(jù),共2048個(gè),其中道數(shù)值為‘0’表示該道數(shù)據(jù)未選中,不屬于加亮區(qū);反之,值為‘1'用戶可通過(guò)鍵盤左右方向鍵進(jìn)行左、右選擇加亮某道,加亮的某道數(shù)據(jù)以紅色表示;可通過(guò)Del鍵來(lái)逐道刪除所選加區(qū)。選定加亮區(qū)后,可根據(jù)需要保存加亮區(qū)。同時(shí)也可以直接打開已保存的加亮區(qū)文件。

            只要單擊“文件管理”譜圖保存“菜單即可實(shí)現(xiàn)保存。譜圖保存源碼如所示:配置文件(。config):把用戶常用的配置保存起來(lái),想用的時(shí)候可以直接調(diào)用,以免重復(fù)設(shè)置。

            格式為:日期與時(shí)間+采樣率+外觸發(fā)+觸發(fā)閾值+采集時(shí)間+譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址+連續(xù)采集。采用LabVIEW提供的OpenConfigData.vi、WriteKey.vi等可完成配置文件的寫入與讀取操作。

            加亮區(qū)顯示2.4.2多道脈沖幅度分析模塊系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊將采樣值讀入內(nèi)存緩沖區(qū),完成從采集卡到系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬多道脈沖幅度分析程序的功能就是針對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰,找出脈沖幅度值,然后對(duì)每個(gè)脈沖幅度進(jìn)行分析,在幅度大小相應(yīng)的道址上作加1計(jì)數(shù)。

            可直接對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰,得到峰位、幅度及方差等信息。但由于其通用性,降低了它的運(yùn)行速度。為了提高性能,系統(tǒng)利用運(yùn)行速度更快的C語(yǔ)言自定義了尋峰模塊的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),具體代碼如下:尋峰求分辨率對(duì)話框該功能模塊的設(shè)計(jì)中也需要考慮采樣率與脈沖幅度分析速率的匹配問(wèn)題,即系統(tǒng)軟件的尋峰及幅度提取運(yùn)行速度與數(shù)據(jù)采集速度的匹配,避免脈沖數(shù)據(jù)大量丟失。系統(tǒng)通過(guò)Queue緩存多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制完成速率的匹配問(wèn)題。此外,模塊增加了閾值確定模塊,保證只在脈沖幅度超過(guò)閾值時(shí)才產(chǎn)生觸發(fā),以提高數(shù)據(jù)的有效性。綜上,采用純軟件編制的多道脈沖幅度分析器是高速、可靠的。

            2.4.3數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊完成經(jīng)過(guò)多道脈沖幅度分析模塊處理后的數(shù)據(jù)顯示,以道址為橫坐標(biāo),以計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo),具體代碼如所示:現(xiàn)°8.界面如所示:在實(shí)時(shí)采集過(guò)程中,可以通過(guò)鍵盤方向鍵的上下鍵實(shí)現(xiàn)縱坐標(biāo)的放大和縮小,以便根據(jù)需求查看相對(duì)應(yīng)區(qū)間的詳細(xì)情況。同時(shí)可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)光標(biāo)或用鍵盤上的左右鍵移動(dòng)光標(biāo),來(lái)顯示光標(biāo)所在位置的道數(shù)和計(jì)數(shù)。此外,程序中設(shè)置了加亮區(qū)的選擇和刪除功能,加亮區(qū)文件的保存與讀取功能。加亮區(qū)可以通過(guò)鍵盤上的左右鍵(通過(guò)功能鍵F7切換,實(shí)現(xiàn)左右鍵功能的變換)進(jìn)行選擇,并以紅色區(qū)塊顯示,并可以通過(guò)Del鍵逐道刪除所選的加亮區(qū)。

            2.4.4譜分析模塊尋峰求分辨率在尋峰求分辨率模塊所要完成的主要任務(wù)就是查找峰位以及計(jì)算峰高一半處以道址為單位的寬度。能量分辨率是指對(duì)于某一給定的能量,探測(cè)器能分辨的兩個(gè)粒子能量之間的zui小相對(duì)差值的量度。能量分辨率可定義如公式(1)所示:址;Ahw表示在峰位一半高處,所得的以道址為單位的寬度。尋峰求分辨率對(duì)話框如所示。

            積分區(qū)間計(jì)數(shù)積分區(qū)間計(jì)數(shù)的功能:計(jì)算用戶輸入的兩個(gè)道2.4.4.3譜尋峰尋峰是定位能譜中的全部有效峰。在譜數(shù)據(jù)中地計(jì)算出各個(gè)峰的峰位是能譜分析中的關(guān)鍵問(wèn)題。譜分析對(duì)尋峰的基本要求是:(1)比較高的重峰分辨率,能確定距離近的峰的位置。

            能識(shí)別弱峰,假峰出現(xiàn)的幾率小。

            不僅能計(jì)算峰位的整數(shù)道址,還能計(jì)算峰位的值。

            系統(tǒng)采用精密的尋峰方法:協(xié)方差法。選用LabVIEW系統(tǒng)中提供的PeakDetect.VI,該子VI使用了協(xié)方差法,能夠較好地滿足尋峰的要求。對(duì)于不同的核譜數(shù)據(jù),其峰的半高寬、峰頂高度均不相同,給出近似的半高寬值,設(shè)置峰高閾值,對(duì)低于峰高閾值的不進(jìn)行尋峰。這樣可以將噪聲產(chǎn)生的雜峰除去,僅找出需要的峰值。界定尋峰區(qū)域之后,就可以尋峰并給出找到的峰的個(gè)數(shù),每個(gè)峰的位置及峰的高度。

            技術(shù)指標(biāo)為了保證儀器的工作正常,測(cè)量結(jié)果可靠,儀器性能必須良好。為此,對(duì)儀器的主要性能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試,整機(jī)技術(shù)參數(shù)如下:脈沖采樣速度:20MHz,zui小脈沖寬度:0.25叫死時(shí)間0,137Cs光電峰偏移矣±1%,穩(wěn)定性:8h.結(jié)束語(yǔ)本文設(shè)計(jì)*拋開硬件電路設(shè)計(jì),后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能,滿足了電子技術(shù)從單一的電子元件向集成化、智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)。純軟件伽瑪能譜儀的研制成功,不僅為伽瑪能譜儀的研制提供了新思路,而且為今后能譜儀功能擴(kuò)展和性能提高等方面的研究提供了新的研究平臺(tái)。北京富瑞恒創(chuàng)科技有限公司。



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