淺談兩種儀器功能在計(jì)算機(jī)上的軟、硬件實(shí)現(xiàn)
多道幅度分析器和單道定標(biāo)計(jì)數(shù)器是從事核科學(xué)實(shí)驗(yàn)常用的實(shí)驗(yàn)儀器，本文描述了這兩種儀器功能在計(jì)算機(jī)上的軟、硬件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)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(jìn)行了探討。多道幅度分析器的功能分析和軟、硬件實(shí)現(xiàn)多道幅度分析器是對(duì)探測(cè)到的核脈沖按不同的幅度進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個(gè)幅度值對(duì)應(yīng)一道，最終繪制出道數(shù)―計(jì)數(shù)圖，找到計(jì)數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的幅度值，從而對(duì)核脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確的能譜分析。要實(shí)現(xiàn)該功能，必須要有速度足夠快的數(shù)據(jù)采集卡，因?yàn)楹嗣}沖上升沿非常快，脈峰很尖，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(jī)性，可能在兩個(gè)脈沖之間會(huì)存在較長時(shí)間的本底信號(hào)，如果不加區(qū)別地將所有信號(hào)都采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，則一方面會(huì)浪費(fèi)大量的存儲(chǔ)資源，另一方面會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行閾值觸發(fā)，去除大量的無用本底信號(hào)，只采集有用的核脈沖信號(hào)，從而為計(jì)算機(jī)爭(zhēng)取寶貴的數(shù)據(jù)處理時(shí)間。其次還要求數(shù)據(jù)采集卡具有雙緩沖存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，從而支持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)采集，當(dāng)一個(gè)緩存被采集數(shù)據(jù)填滿后，等待計(jì)算機(jī)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(gè)緩存中，實(shí)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(jìn)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(diǎn)中找出真正的脈沖峰值，并在相應(yīng)幅度對(duì)應(yīng)的道中計(jì)數(shù)。經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)最終選用的算法是逐個(gè)比較采樣點(diǎn)的幅值，如果出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)幅值增加后又有連續(xù)兩個(gè)幅值減少則認(rèn)為找到了一個(gè)真正的脈沖峰值。單道定標(biāo)計(jì)數(shù)器的功能分析和軟、硬件實(shí)現(xiàn)單道定標(biāo)計(jì)數(shù)器是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)或定標(biāo)路一定的計(jì)數(shù)范圍內(nèi)對(duì)經(jīng)過前端放大、濾波成形和電平轉(zhuǎn)換的核脈沖信號(hào)進(jìn)行不同位置的計(jì)數(shù)處理，最終得到粒子強(qiáng)度的空間分布。與多道幅度分析器相比，單道定標(biāo)計(jì)數(shù)器的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，它不需要對(duì)核脈沖的幅度進(jìn)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(jì)數(shù)。因此，在選擇硬件時(shí)應(yīng)主要考慮它的計(jì)數(shù)功能。NI公司的PCI－6602是功能完善的一款高速計(jì)數(shù)卡，它最大的計(jì)數(shù)率能達(dá)到20M，具有100K、20M和80M三個(gè)可選的內(nèi)時(shí)鐘，每個(gè)卡提供8個(gè)計(jì)數(shù)通道，能滿足單道定標(biāo)計(jì)數(shù)器對(duì)多個(gè)位置進(jìn)行核脈沖計(jì)數(shù)的實(shí)際要求，可以大大提高產(chǎn)品的性價(jià)比。在軟件設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)是定時(shí)計(jì)數(shù)和定數(shù)計(jì)數(shù)的功能實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)PCI－6602提供的基于LABVIEW的驅(qū)動(dòng)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(hào)，脈沖寬度是以SOURCE端口的計(jì)數(shù)值作為基準(zhǔn)，該計(jì)數(shù)值可以通過編程確定。如果將SOURCE端口的信號(hào)源設(shè)置為內(nèi)時(shí)鐘，那么在規(guī)定的計(jì)數(shù)值內(nèi)產(chǎn)生的脈沖寬度的時(shí)間間隔就能被確定，利用這個(gè)功能便能創(chuàng)造出定時(shí)計(jì)數(shù)所需要的時(shí)間基準(zhǔn)。
同理，如果將SOURCE端口的信號(hào)源設(shè)置為外部輸入的脈沖信號(hào)，則在規(guī)定的計(jì)數(shù)值內(nèi)產(chǎn)生的脈沖寬度就能作為定數(shù)計(jì)數(shù)所需要的定標(biāo)基準(zhǔn)。同時(shí)該計(jì)數(shù)卡還具有脈寬測(cè)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(duì)SOURCE端口的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)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(jì)數(shù)通道的GATE端口，則就能完成單道定標(biāo)計(jì)數(shù)器所要求的定時(shí)計(jì)數(shù)和定數(shù)計(jì)數(shù)功能。下圖是PCI－6602產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號(hào)和進(jìn)行脈寬測(cè)量的原理分析。前面提到一個(gè)PCI－6602卡最多可以提供8個(gè)計(jì)數(shù)通道，而至少有一個(gè)通道要用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)和定數(shù)功能，所以最終真正可以用到的只有7個(gè)計(jì)數(shù)通道，如果實(shí)際需要多于7個(gè)計(jì)數(shù)通道，則必須增加計(jì)數(shù)卡，如何實(shí)現(xiàn)多卡的協(xié)調(diào)工作成為解決問題的關(guān)鍵。PCI－6602計(jì)數(shù)卡提供了內(nèi)部RTSI總線用于多計(jì)數(shù)卡之間的互連，因此將用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)和定數(shù)功能的通道的OUT端口的輸出信號(hào)引到RTSI總線上，所有用于計(jì)數(shù)的通道的GATE端口的輸入信號(hào)再從RTSI總線上引進(jìn)，則一個(gè)卡上的定時(shí)和定數(shù)通道就能為所有用RTSI互連的計(jì)數(shù)卡提供定時(shí)和定數(shù)基準(zhǔn)，從而順利完成計(jì)數(shù)通道的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多卡的協(xié)調(diào)工作。目前用該方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了9個(gè)計(jì)數(shù)卡之間的互連，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作正常。
PCI－6602產(chǎn)生脈沖和脈寬測(cè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)C／S（客戶機(jī)／服務(wù)器）網(wǎng)絡(luò)模式實(shí)現(xiàn)的是客戶機(jī)和服務(wù)器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的算法進(jìn)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(jī)發(fā)送的服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器程序可根據(jù)不同的服務(wù)請(qǐng)求做出不同的服務(wù)響應(yīng)，滿足客戶機(jī)的服務(wù)要求�？蛻魴C(jī)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(qǐng)求，如控制服務(wù)器端數(shù)據(jù)采集的起停、請(qǐng)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(jī)程序?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，實(shí)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(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬多道幅度分析器和虛擬單道定標(biāo)計(jì)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(jī)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(qǐng)求的子程序，使得服務(wù)器程序一旦被運(yùn)行，就處于等待客戶程序操作請(qǐng)求的狀態(tài)，如果偵聽到的服務(wù)請(qǐng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行尋找峰值的初步處理，同時(shí)繼續(xù)偵聽停止采集數(shù)據(jù)的服務(wù)請(qǐng)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(qǐng)求并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送給客戶程序始計(jì)數(shù)或停止計(jì)數(shù)并向客戶程序發(fā)送各通道的計(jì)數(shù)結(jié)果等操作�？蛻舫绦蛲瑯訉�(shí)現(xiàn)的是向服務(wù)器端發(fā)送不同的服務(wù)請(qǐng)求并對(duì)得到的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行文件管理和簡(jiǎn)單分析的功能。
在服務(wù)器上可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)屬性進(jìn)行設(shè)置，決定可以訪問的客戶機(jī)以及它們的訪問權(quán)限，有些客戶機(jī)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(jī)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(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，當(dāng)采樣率設(shè)為13M，下閾設(shè)為0.3伏時(shí)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(jì)數(shù)器已經(jīng)達(dá)到實(shí)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(gè)單位的實(shí)驗(yàn)室。中國糧油儀器網(wǎng) http://www.52lvi.cn/
