基于FPGA的X射線熒光光譜儀數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計

宋春苗 周超 胡學強

摘要：為提高X熒光光譜儀的準確性和測試靈敏度，本文基于FPGA設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對X熒光光譜儀各個部件系統(tǒng)的控制，以及對探測系統(tǒng)輸出的信號及儀器所需的環(huán)境變量的實時采集，最終實現(xiàn)對被測樣品中元素種類及含量的分析。

關(guān)鍵詞：X熒光光譜儀;FPGA;數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng);被測樣品;分析

中圖分類號：TH741;TH842 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0137-03

X射線熒光光譜儀是通過對樣品中不同元素中產(chǎn)生的熒光X射線能量（或波長）和強度進行分析，以獲得樣品中的元素種類與含量信息，達到定性和定量分析的目的。目前，X射線熒光光譜儀在地質(zhì)、冶金、材料、環(huán)境、工業(yè)等無機分析領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其是在無損分析和原位分析方面，X射線熒光光譜儀具有無可替代的地位。

X射線熒光光譜儀由樣品交換系統(tǒng)、X射線發(fā)生系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中樣品交換系統(tǒng)將樣品移動到測樣位置、X射線發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生X射線激發(fā)樣品產(chǎn)生X射線熒光、分光系統(tǒng)將激發(fā)產(chǎn)生的X射線熒光篩選為待測元素的特征X射線熒光、探測系統(tǒng)將待測元素的特征X射線熒光的能量和強度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?shù)據(jù)采集系統(tǒng)對探測系統(tǒng)輸出的電信號及儀器所需的環(huán)境變量（流量、溫度、真空）進行實時采集上傳。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是X射線熒光光譜儀的關(guān)鍵部件，對儀器的測試準確性和測試靈敏度起著至關(guān)重要的作用。本文基于FPGA設(shè)計了一套適用于X射線熒光光譜儀的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對樣品交換系統(tǒng)、X射線發(fā)生系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)各部件節(jié)點的控制，同時對各元素特征X射線熒光的能量和強度進行實時采集處理及上傳，最終實現(xiàn)對被測樣品中元素種類及含量的分析。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析

本文所設(shè)計的X射線熒光光譜儀數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)通訊的方式與上位機進行交互，控制樣品交換系統(tǒng)將樣品移動到測樣位置，然后控制X射線發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生X射線來激發(fā)樣品產(chǎn)生X射線熒光，同時控制分光系統(tǒng)對X射線熒光進行篩選，控制探測系統(tǒng)對篩選得到的特征X射線熒光進行光電轉(zhuǎn)換，采集流量、溫度、真空的實時狀態(tài)以及探測系統(tǒng)輸出的脈沖信號，最終以網(wǎng)絡(luò)通訊的方式傳輸?shù)缴衔粰C進行實時顯示及分析，實現(xiàn)X射線熒光光譜儀對被測樣品元素種類和含量分析的功能。

本系統(tǒng)由通訊單元、控制單元及數(shù)據(jù)采集單元三大部分組成，其中通訊單元負責和上位機之間的信息傳遞，以及與X射線發(fā)生系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、流量系統(tǒng)之間的狀態(tài)交互;控制單元實現(xiàn)對樣品交換系統(tǒng)、X射線發(fā)生系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、探測系統(tǒng)的實時控制;數(shù)據(jù)采集單元對探測系統(tǒng)輸出的有用信號及儀器所需的環(huán)境變量（流量、溫度、真空）進行實時采集。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用FPGA作為主控制器構(gòu)成控制單元，W5300與MAX3232配合構(gòu)成通訊單元，數(shù)據(jù)采集單元采用AD公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)對所需信號及狀態(tài)的采集。

2.1 通訊單元

系統(tǒng)的通訊單元包括網(wǎng)絡(luò)通訊和串口通訊兩部分，網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)FPGA與上位機之間的信號傳輸，采用博控的W5300作為網(wǎng)絡(luò)通訊芯片該芯片內(nèi)部集成10M/100M以太網(wǎng)控制器，MAC和TCP/IP協(xié)議棧，采用總線接口與控制器通訊，可以簡單快捷的實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，W5300芯片與FPGA采用并口連接，25M外部晶振時鐘信號通過W5300的內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻到150M作為W5300的內(nèi)核工作時鐘。串口通訊實現(xiàn)FPGA與X射線發(fā)生系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、流量系統(tǒng)之間的信息交互，這里采用3片MAX3232實現(xiàn)，MAX3232芯片可實現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的雙向轉(zhuǎn)換。

2.2 控制單元

系統(tǒng)的控制單元由Altera公司的CycloneⅢ系列的FPGA芯片EP3C16F484實現(xiàn)，該芯片具有豐富的可配置邏輯單元（CLB）以及可編程輸入輸出單元（IOB），可以實現(xiàn)X射線熒光光譜儀的各個部件系統(tǒng)的高速并行數(shù)字化控制，其硬件配置電路圖如圖3所示，采用JTAG的方式加載硬件程序，設(shè)置FPGA的MSEL0、MSEL2、MSEL3管腳為低電平，MSEL1管腳為高電平。

2.3 數(shù)據(jù)采集單元

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元包括對探測系統(tǒng)輸出的有用信號的采集及對儀器所需的環(huán)境變量（流量、溫度、真空）的實時采集兩個部分。由于探測系統(tǒng)輸出的脈沖信號上升時間為250ns，為保證采樣信號不失真，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于兩倍被采樣信號的最高頻率，本文選取AD公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9255，其采樣速率高達125MSPS，精度為14位，可以實現(xiàn)探測系統(tǒng)輸出脈沖的高速高精度數(shù)字化，由于環(huán)境變量變化緩慢，采樣精度要求高，故選取AD公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD976，其采樣速率為200KSPS，精度為16位，可以滿足系統(tǒng)要求，其硬件接口電路圖如圖2所示，AD976與FPGA采用并口方式連接，參考電壓REF為10V。

3 數(shù)字邏輯的設(shè)計

本文采用QuartusⅡ軟件進行自頂向下的模塊化設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)需求，劃分為時鐘發(fā)生模塊，系統(tǒng)復位模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)控制模塊，信號采集模塊，以及狀態(tài)采集模塊。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 時鐘發(fā)生模塊

時鐘發(fā)生模塊將外部晶振輸入的50M時鐘信號通過鎖相環(huán)輸出系統(tǒng)的標準時鐘以驅(qū)動系統(tǒng)的所有模塊，同時將系統(tǒng)時鐘根據(jù)需求的不同分頻產(chǎn)生不同頻率的時鐘信號輸出到系統(tǒng)的各個模塊以滿足需求，時鐘發(fā)生模塊的Symbol Blocks如圖4所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過配置W5300實現(xiàn)UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，UDP是一種無連接的傳輸協(xié)議，資源消耗小，傳輸數(shù)據(jù)快，其通訊流程如圖5所示。