在高速數(shù)據(jù)采集卡的不斷多樣化應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了針對(duì)脈沖檢測的相關(guān)專業(yè)版本,，例如北京坤馳科技有限公司今年推出了應(yīng)用脈沖檢測固件（具備數(shù)據(jù)壓縮功能）的一系列高速數(shù)據(jù)采集卡,，該固件的特點(diǎn)如下：
·適用于動(dòng)態(tài)脈沖檢測的自適應(yīng)電平基線處理
·零抑制和優(yōu)內(nèi)存使用的自適應(yīng)數(shù)據(jù)記錄長度
·適用于多通道系統(tǒng)的多單元同步
·多通道交互的一致性觸發(fā)
·脈寬和峰值的直方圖計(jì)算
1 固件介紹
1.1脈沖識(shí)別和分析
脈沖檢測固件的目的為檢測脈沖和采集脈沖有效數(shù)據(jù)，本固件分兩部分,，脈沖識(shí)別,、脈沖分析。如下圖所示,，脈沖識(shí)別功能在脈沖開始和結(jié)束時(shí)都會(huì)終電平基線,。數(shù)據(jù)記錄為零抑制的動(dòng)態(tài)記錄長度，即為無用信號(hào)被丟棄節(jié)省硬盤空間,。一致性觸發(fā)檢測幾個(gè)通道的同步事件,。脈沖分析找到峰值和脈沖寬度，采集時(shí)也會(huì)建立計(jì)算峰值和脈寬的直方圖，在FPGA內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)算并節(jié)省CPU資源,。
圖1脈沖檢測和分析
1.2 用于脈沖檢測的動(dòng)態(tài)記錄和零抑制
新脈沖檢測固件（FWPD）與標(biāo)準(zhǔn)固件（FWDAQ）的不同如下圖所示,，標(biāo)準(zhǔn)固件（FWDAQ）以每通道相同的長度同步記錄所有通道，脈沖檢測固件（FWPD）增加了所有通道的獨(dú)立觸發(fā)功能和動(dòng)態(tài)記錄長度,。動(dòng)態(tài)記錄長度意為著只有有用的脈沖數(shù)據(jù)才會(huì)記錄,，這個(gè)零抑制的記錄方式放松了采集數(shù)據(jù)率和硬盤空間。
標(biāo)準(zhǔn)固件（FWDAQ）：
脈沖檢測固件（FWPD）：
如下圖,，脈沖檢測固件（FWPD）提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的觸發(fā)電平,，觸發(fā)電平為相對(duì)于信號(hào)動(dòng)態(tài)電壓基線的相對(duì)值，信號(hào)基線電平為終信號(hào)波動(dòng)的結(jié)果,。通過設(shè)置跟蹤基線和觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間,，脈沖檢測固件應(yīng)用一個(gè)活度檢測器，觸發(fā)條件為dy / dx > z.
圖2. 脈沖檢測固件（FWPD）應(yīng)用一個(gè)靈活的電平觸發(fā)（本處舉例的采集長度包括預(yù)觸發(fā)長度）
1.3 脈沖特征分析
以下面幾種方式識(shí)別脈沖：
·不同通道脈沖間的通道一致性的時(shí)間,，只接受滿足特定條件的脈沖,。
·用來分析脈沖幅度分布的峰值測量，每個(gè)脈沖的峰值都會(huì)在直方圖記錄和顯示,。
·用于分析脈沖分布寬度的脈寬測量,，每個(gè)脈沖的寬度都會(huì)在直方圖記錄和顯示。
這些內(nèi)置分析降低了向主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率需求,，以及CPU的負(fù)荷,。
1.4 結(jié)構(gòu)框圖
脈沖檢測固件（FWPD）脈沖識(shí)別的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示,，脈沖分析如圖3所示,。注意每通道所有的模塊都是獨(dú)立的，除了一致性觸發(fā)模塊,，需結(jié)合所有通道的數(shù)據(jù),。
圖3脈沖檢測固件（FWPD）脈沖識(shí)別結(jié)構(gòu)圖
圖4脈沖檢測固件（FWPD）脈沖特征分析結(jié)構(gòu)圖
2 輸入信號(hào)調(diào)理
2.1 模擬輸入
如圖3（a）,輸入模擬信號(hào)為單極性，這意味著信號(hào)相對(duì)于一個(gè)DC值基線和一個(gè)信號(hào)脈沖構(gòu)建的,。信號(hào)的DC值不必為0,，一些DC耦合的高速數(shù)據(jù)采集卡，將使得輸入信號(hào)的直流電平高于0點(diǎn),，如果需要,，AC耦合版本，可以移動(dòng)輸入DC電壓值,。
一個(gè)模擬的DC偏置加到信號(hào)中,，可實(shí)現(xiàn)ADC的對(duì)稱輸入范圍充分使用。這將使信號(hào)基線接近信號(hào)范圍的上限或下限,。峰值波形能覆蓋所有信號(hào)范圍,。直流偏置有效的加倍了單極信號(hào)的分辨率,。如圖3（b）.直流偏置（DC-offset）電壓由軟件控制，控制范圍為電壓上限到下限,，但好留有10%的范圍,，以適應(yīng)信號(hào)過沖。
2.2 AC或DC耦合選項(xiàng)
AC或DC耦合版本選項(xiàng)為硬件選項(xiàng),，DC耦合版本具有較高的靈敏度,，AC耦合版本有較高的ENOB. DC耦合版本時(shí)會(huì)保留輸入信號(hào)的任何直流成分。而AC版本會(huì)刪除信號(hào)直流成分,，AC和DC耦合版本都會(huì)使得信號(hào)的高頻部分通過,，也就是脈沖通過。
2.3 數(shù)字基線穩(wěn)定器,，DBS
對(duì)于常見的直接信號(hào)分析,，模擬的直流電平（DC-level）是準(zhǔn)確的,然而，為得到非線性閾值操作的佳性能,，基線應(yīng)該鎖定為一個(gè)確定值,。本處由數(shù)字基線穩(wěn)定器（DBS）實(shí)現(xiàn),其配置在A/D轉(zhuǎn)換器之后。DBS是SP devices的一項(xiàng)專利技術(shù),，通過分析數(shù)據(jù),、找到和調(diào)整基線為22位精度的目標(biāo)值。如圖5.
目標(biāo)值由使用者設(shè)定,，好接近模擬增益（DC-offset）,，如果應(yīng)用了DC-offset這一功能。DBS應(yīng)用了模糊識(shí)別的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，DBS是一直激活的,，其不斷的監(jiān)視和跟隨基線變化，并矯正基線為時(shí)不變值,。
圖5 DBS操作原理
2.2 移動(dòng)平均濾波器介紹
經(jīng)DBS后得到的基線追蹤環(huán)境的變化速度相對(duì)較慢,，許多應(yīng)用中依據(jù)由參考DBS計(jì)算的當(dāng)前基線值來取觸發(fā)電平值是好的解決辦法，DBS的更新率為微妙級(jí),，但在一些應(yīng)用中可能不夠快。
脈沖檢測固件（FWPD）提供了一個(gè)移動(dòng)的平均濾波器,，可快速追蹤基線變化,，例如，由脈沖泄漏導(dǎo)致的變化等,。移動(dòng)平均濾波器的范圍為4到100個(gè)采樣點(diǎn),，這意味著可用更新率為100納秒。
移動(dòng)平均濾波器針對(duì)的是觸發(fā)后信號(hào)的快速變化,，而不是整個(gè)信號(hào)的變化,。DBS與移動(dòng)平均濾波器結(jié)合使用效果更好,。
3 觸發(fā)模塊
3.1 簡介
圖6 觸發(fā)過程中各模塊的關(guān)系與效果
3.2 使用DBS進(jìn)行基線值計(jì)算
基線值計(jì)算可由DBS直接得到，而不使用移動(dòng)平均濾波器,。假如DBS的基線輸出結(jié)果為固定值,，那么觸發(fā)電平也為固定值（不具備移動(dòng)平均濾波器的動(dòng)態(tài)性）。圖7顯示了是否使用移動(dòng)平均濾波器的區(qū)別,。
圖7 使用DBS和移動(dòng)平均濾波器計(jì)算基線值
3.3 時(shí)間戳
高速數(shù)據(jù)采集卡中有個(gè)時(shí)間戳計(jì)數(shù)器,，時(shí)間戳為觸發(fā)事件匹配時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，時(shí)間戳有利于研究測量時(shí)脈沖之間的時(shí)間,，一致性,，脈沖密度變化等。
4 一致性模塊
4.1 簡介
開啟一致性觸發(fā)功能能夠檢測不同通道的同步事件,，組合通道將產(chǎn)生相同的觸發(fā),，一致性功能由一個(gè)定義的一致性時(shí)間窗控制。如圖8顯示了由個(gè)通道觸發(fā)啟動(dòng)一個(gè)一致性窗,，然后第二個(gè)通道的觸發(fā)參照一致性窗后才會(huì)接收,。
圖8 一致性觸發(fā)介紹
注：如果一致性功能被關(guān)閉(默認(rèn)關(guān)閉)，所有其他通道獨(dú)立觸發(fā),。
4.2 一致性窗
一致性窗是一個(gè)通道已經(jīng)觸發(fā)后的窗,，可與其他通道結(jié)合，如圖9,，通道A觸發(fā)事件為TriggerA,，時(shí)間上拉伸為一致性窗長WinA。
圖9,，通道A的一致性窗
5,，脈沖分析
5.1 簡介
動(dòng)態(tài)記錄支持單個(gè)采樣過程記錄多個(gè)脈沖，脈沖由閾值電壓確定,，閾值電壓包括一個(gè)觸發(fā)電平和一個(gè)復(fù)位電平,，一次記錄多可記錄16個(gè)脈沖，圖2,，顯示了一次記錄采集2個(gè)脈沖,。
峰值和超過閾值時(shí)間也會(huì)用于直方圖的統(tǒng)計(jì)分析，板卡建立直方圖很大的降低了到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸率和CPU負(fù)荷,。
圖10 峰值檢測和超閾值時(shí)間定義
脈沖特征數(shù)據(jù)可作為采集的一部分,，特征數(shù)據(jù)可以用三種方式保存起來。數(shù)據(jù)的頭包含了采集信息,，如通道,、采集數(shù)目、時(shí)間戳,。脈沖記錄段為表示脈沖波形的時(shí)域采樣序列,。
脈沖特征數(shù)據(jù)由脈沖分析功能模塊輸出,，即峰值和超閾值時(shí)間長度。這些信息放在整個(gè)記錄空間的后,。設(shè)置記錄長度時(shí),，需確定有足夠的空間來實(shí)現(xiàn)腳注這種記錄。
也可以只記錄脈沖特征數(shù)據(jù),，如圖11（c）,這可以節(jié)省向主機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率和硬盤空間,。圖11顯示了包括三種脈沖特征數(shù)據(jù)的記錄方式。
圖11 3種脈沖記錄模式
6 數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)
6.1 采集傳輸順序
數(shù)據(jù)傳輸完全按照采集順序完成,，圖12（a）一些列觸發(fā)事件的例子,，圖12（b）證實(shí)了這些數(shù)據(jù)是如何傳到主機(jī)的，并附注了一些細(xì)節(jié)解釋,。
圖12 觸發(fā)采集和將數(shù)據(jù)傳到主機(jī)
·A2開始晚于B2,，但結(jié)束早于B2，因此先傳A2.
·B1先于C1結(jié)束,，因此先傳B1.
·單次記錄單元結(jié)束前,，A1有兩次觸發(fā)，這兩個(gè)脈沖存儲(chǔ)到同一個(gè)記錄空間內(nèi),。
·記錄的D1,，D2，D3為同一個(gè)通道的尖峰,。
·時(shí)間戳相對(duì)于記錄單元的觸發(fā)位置,，但數(shù)據(jù)傳輸是在傳輸單元裝載結(jié)束時(shí)，因此記錄單元內(nèi)不以時(shí)間戳的順序傳輸,。
6.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)
根據(jù)用戶手冊(cè),，可設(shè)置為觸發(fā)數(shù)據(jù)流模式向主機(jī)傳輸采集數(shù)據(jù)。
6.3 FIFO 溢出
數(shù)據(jù)率適動(dòng)態(tài)的并有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),，為了處理不均勻的數(shù)據(jù)流,，在ADQ14上有一個(gè)大的FIFO（2 GBytes），FIFO可以處理高速脈沖的多個(gè)尖峰,。如果FIFO裝滿數(shù)據(jù),，后面的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。
6.4 記錄單元數(shù)據(jù)頭
每次記錄都會(huì)有數(shù)據(jù)頭存儲(chǔ)記錄相關(guān)信息,。
7 多單元同步
7.1 操作
多單元同步可實(shí)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)檢測器的解決方案,。每個(gè)ADQ14板卡都有一個(gè)同步輸出和同步輸入，所有的采集卡都需鎖相到外部參考時(shí)鐘,，系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)正確同步工作,。
當(dāng)一個(gè)來自于數(shù)字化儀輸出同步信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)共同的時(shí)間參考,，板卡之間的同步為一個(gè)菊鏈操作,，公共的時(shí)間參考用于系統(tǒng)內(nèi)所有同步板卡的時(shí)間戳計(jì)數(shù)器對(duì)準(zhǔn),。
一旦時(shí)間戳同步，采集過程中,，單個(gè)板卡與其他不同板卡的所有獨(dú)立通道都會(huì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部對(duì)齊,，同步觸發(fā)通過相同的信號(hào)路徑分發(fā)。
7.2 USB,MTCA,PXIe連接器
板卡TRIG接口用于同步輸入,，SYNC用于同步輸出,，如圖13，這些接口都在數(shù)據(jù)采集卡的前面板,。
圖13 利用USB,MTCA,PXIe接口連接同步信號(hào)
7.3 PCIe連接器
同步輸入和輸出信號(hào)通過PC機(jī)箱內(nèi)部專用連接頭傳輸,。如圖14.
圖14 以PCIe的接口連接同步信號(hào)
8 應(yīng)用舉例
8.1 啟動(dòng)
脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）裝有示例代碼和快速開始的啟動(dòng)套件。因?yàn)槊}沖檢測固件（ADQ14-FWPD）是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的,，系統(tǒng)次的設(shè)置是需要技巧的,，輸入信號(hào)需為系統(tǒng)期望的，所有的觸發(fā)條件必須正確設(shè)置以使得實(shí)際采集時(shí)得到正確觸發(fā),。
啟動(dòng)套件包括：
·SMA連接器的同軸電纜
·軟件例程
啟動(dòng)套件的目的是次使用脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）保證一個(gè)可控的開啟環(huán)境,，內(nèi)部觸發(fā)生成器用來產(chǎn)生一個(gè)已知脈沖，這個(gè)脈沖可由前面板的TRIG SMA連接口得到,，設(shè)置測試通過以下三步：
1,，將衰減器連接到觸發(fā)輸出，以使得信號(hào)電平在ADQ14的輸入范圍內(nèi),。
2,，連接衰減觸發(fā)輸出到輸入通道A的SMA接頭，如圖15.
3,，運(yùn)行FWPD_simple_example檢測信號(hào)
以上配置是為了檢測來自觸發(fā)輸出的特殊脈沖,，這種方式下，可確保ADQ14板卡硬件和軟件安裝都是正確的,。
下一步是使用例程代碼來更改參數(shù),，并看更改參數(shù)的效果，用實(shí)際信號(hào)測試脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）并后搭建應(yīng)用,。
圖15脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）啟動(dòng)套件
8.2 啟動(dòng)順序
下表為程序啟動(dòng)的相關(guān)順序操作步驟：
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描述
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命令
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1
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設(shè)置模擬DC偏置并等待40 ms
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SetAdjustableBias
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2
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激活DBS
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SetupDBS
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3
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設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸
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SetStreamStatus
SetTransferBuffers
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4
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設(shè)置移動(dòng)平均濾波器
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PDSetupTiming
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4
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設(shè)置脈沖檢測參數(shù)
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PDSetupTiming
PDSetupLevelTrig
PDEnableLevelTrig
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5
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配置一致性觸發(fā)
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PDEnableTriggerCoincidence
PDSetupTriggerCoincidence
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5
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配置脈沖特征分析參數(shù)
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WriteUserRegister
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5
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選擇通道
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PDSetupStreaming
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6
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配置用戶buffers
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Set by user’s OS and
programming language
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7
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開啟采集
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StartStreaming
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8
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數(shù)據(jù)記錄
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GetDataStreaming
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8
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得到脈沖特征直方圖
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ReadUserRegister
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9
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停止采集
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StopStreaming
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8.3 流盤
軟件例程顯示了如何設(shè)置數(shù)據(jù)采集的流盤動(dòng)態(tài)采集長度和時(shí)間戳信息,，更多流盤信息在編號(hào)為15-1619應(yīng)用筆記中看到，示例代碼實(shí)現(xiàn)了特定硬件環(huán)境下1.5 GBytes/s的持續(xù)流盤速率,。
8.4 過程監(jiān)測
脈沖采集的數(shù)據(jù)頭帶有采集和脈沖的相關(guān)信息,，ADQ14的數(shù)據(jù)頭也包含FIFO轉(zhuǎn)載程度信息，如果裝載程度過高,，就有數(shù)據(jù)溢出和丟失的危險(xiǎn),，通過使用FIFO裝載因數(shù)，可控制溢出和丟失的問題,，例如降低脈沖的生成密度,。
8.5 失效檢測
如果用軟件直接檢測的脈沖太長或太強(qiáng)時(shí),，可能會(huì)不能有效的檢測信號(hào)，當(dāng)單次數(shù)據(jù)長度上升到確定值時(shí),，可以向數(shù)字化儀發(fā)行中止指令,，系統(tǒng)隨后重啟。這個(gè)停止操作是在用戶軟件中定義的,，故障檢測的條件完全為用戶控制,。
8.6 飛行時(shí)間檢測
進(jìn)行粒子飛行時(shí)間測量時(shí)，從一個(gè)陣列到另一個(gè)陣列探測器的粒子,，只有兩個(gè)陣列都撞擊了的粒子才是研究需要的,。一致性觸發(fā)為粒子區(qū)分的步，設(shè)置一致性開啟觸發(fā)為個(gè)陣列觸發(fā)（通道A或B）,然后接收第二個(gè)陣列觸發(fā)（通道C或D）,，如圖16,，粒子脈沖在通道C或D被存儲(chǔ)的前提是該脈沖在通道A或B也被檢測到。
通道C和D每個(gè)檢測到脈沖的時(shí)間戳表示了一個(gè)粒子在兩個(gè)檢測器陣列之間的飛行時(shí)間,，為了找到飛行時(shí)間,，查找通道A或B的對(duì)應(yīng)脈沖，該脈沖帶有匹配一致性窗和時(shí)間戳,。
圖16 飛行質(zhì)譜觸發(fā)一致性應(yīng)用舉例
下表為具體的通道一致性參數(shù)設(shè)置：
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通道
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BIT 3
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BIT 2
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BIT 1
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BIT 0
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描述
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A
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0
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0
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0
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1
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接收通道A的所有觸發(fā)事件
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B
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0
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0
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1
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0
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接收通道B的所有觸發(fā)事件
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C
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0
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0
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1
|
1
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接收通道C的所有觸發(fā)事件,，只有該事件已經(jīng)在A或B已經(jīng)觸發(fā)時(shí)。
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D
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0
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0
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1
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1
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接收通道D的所有觸發(fā)事件,，只有該事件已經(jīng)在A或B已經(jīng)觸發(fā)時(shí),。
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