脉冲基于labview虚拟单道脉冲幅度分析器

题 目基于LabView虚拟单道脉冲幅度分析器TITLE: The Design of a Single-channel pulse Analyzer Based onLab Vi ew

二零一零年六月

摘 要

本文详细介绍了虚拟仪器技术和先进总线技术介绍了传统单道脉冲幅度分析器的工作方式和弱点。详细说明了利用虚拟仪器技术采用NI公司的NI-DAQUSB-6008数据采集卡在LabView软件环境下研究基于虚拟仪器的单道脉冲分析器的全过程。介绍了虚拟单道脉冲幅度分析器的系统结构设计说明了虚拟单道脉冲幅度分析器的各模块功能及其软件实现方法。

虚拟单道脉冲幅度分析器是用来测量核辐射探测器输出的脉冲幅度分布的仪器它可以使落入道宽的脉冲产生输出从而实现了对核脉冲信号的脉冲幅度分析功能。在实时脉冲信号获取处理上设计了新的脉冲幅度提取方法实现了对正负双极性脉冲的单参数幅度分析。

虚拟单道脉冲幅度分析器充分利用了虚拟仪器良好的的人机界面和强大的信号处理功能使用灵活、界面友好、成本低、易于扩充和修改等优点.从本质上来说虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物它强调〝软件就是仪器〞的概念使用户能够根据自己的需要定义仪器的功能更好的组建自己所需的测试系统。

关键词:虚拟仪器;虚拟单道脉冲分析器;Lab View;

AB S TRA C T

The virtual instrument and advanced bus technology,the working model oftraditional single-channel pulse analyzer and its weakness introduced by thispaper.Particularize the whole process of research and development virtual single-channelanalyzer,with NI-DAQ USB-6008 data collection card of NI Company under LabViewsoftware development platform based on virtual instrument technology. Also thesystemstructure design of virtual single-channel pulse analyzer , and the functions ofevery modules and its software implementation method are introduced.

Virtual single-channel pulse analyzer is a instrument which use to measure pulseextent distrubuting output from nuclear detector,and it can make a output when pulsedrop in wide rode ,so it realise analysis function of extent to nuclear pulse signal.Whentaking order with realtime pulse signal of obtaining,designing a new way to distill pulseextent ,which achieve single parameter extent analysis to positive and negative pulse.

Virtual single-channel pulse analyzer fully utilize virtual instrument withuser-friendly and powerful signal processing functions,use flexible、 friendly interface、cost lowness、 easy to extend and modify. In essence, the virtual instrument is adeep-seated product of device technology combined with computer technology,whichemphasize on the concept of〝software is the instrument〞 allow users to define theapparatus function and set up their own required test system better according to theirrequie me nt .

Keywo rds:Virtual tec hno lo gy;Virtual s ingle-channe l analyzer;Lab View

目 录

绪 论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

1. 1 问题的引入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

1.2单道脉冲幅度分析器的发展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

1.3虚拟仪器的发展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

1.4论文的意义和基本思路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

第2章 虚拟仪器技术研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

2. 1虚拟仪器概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

2.2虚拟仪器硬件组成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

2.3虚拟仪器软件系统介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

2.3. 1 虚拟仪器软件系统结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

2.3.2 LabWindows/CVI简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

2.3.3 图形化编程环境LabVIEW介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

第3章 单道脉冲幅度分析器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

3. 1单道脉冲分析器的设计思想. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

第4章 虚拟单道脉冲分析器系统结构的研究和设计. . . . . . . .错误未定义书签。

4. 1虚拟单脉冲道分析器及其优点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.2虚拟单道脉冲幅度分析器的系统流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.3系统硬件研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.3. 1 总线的选择和采集卡简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.3.2 数据采集卡的功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.3.3 数据采集卡的软件配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.4系统软件平台选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

4.5系统软件模块结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

第5章 虚拟单道脉冲幅度分析器的实现. . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

5. 1单道脉冲幅度分析器的原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

5.2虚拟单道脉冲幅度分析器的程序框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

5.3虚拟单脉冲幅度分析器的前面板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

第6章 虚拟脉冲幅度分析器的调试与波形显示. . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

6. 1虚拟单道脉冲幅度分析器的调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

6.2波形显示结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

结论与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

致 谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

绪 论

1 . 1 问题的引入

虚拟仪器技术是计算机技术在仪器领域的应用改变了传统仪器的应用方式实现了测量信息远程共享、综合分析、评估等仪器的综合功能。本课题目的在于研究虚拟仪器技术并在NI-DAQ USB-6008数据采集卡的基础上设计完成了基于Labview软件平台的高分辨率、功能完善的虚拟单道脉冲幅度分析器解决核仪器系统的硬件和软件的标准化从而提高系统的互用性和高可靠性满足核测试仪器的需要。为此我们研究开发虚拟实时核测量数据获取系统即虚拟单道脉冲分析器。

1 .2单道脉冲幅度分析器的发展

早期的单道脉冲幅度分析器的甄别元件是用二极管或三极管其优点是电路简单但技术指标低对脉冲的前沿响应差测量精度低特别是低阂非线性大一般灵敏度只能做到0.3V左右。 60年代初有人用晶体管构成施密特触发器作为甄别元件使单道脉冲幅度分析器的技术指标有了很大的提高如灵敏度可达0. 1V 阈稳定性有所提高并能适应较高的计数率但这种电路有较大的滞后特性往往影响了闲灵敏度。虽然安蒂瓦克等人提出了改进办法但是没有得到令人满意的结果。

随着电子技术的发展集成电路比较器的出现给单道脉冲幅度分析器提供了理想的甄别器件。 80年代中期人们采用电压比较器研制出新型的单道脉冲幅度分析器其技术指标大大提高 电路结构也简化了。

近年来 由于核技术应用领域的扩大一些便携式核仪器仪表相继问世这就要求简化其电路降低其功耗。而过去的单道脉冲幅度分析器大多是独立的仪器电路过于复杂功耗也较大。如:FH-065型单道脉冲幅度分析器功耗超过了1 W.Canberra公司制造的2030型单道脉冲幅度分析器功耗超过2w。我们研制的单道脉冲幅度分析器电路简单功耗较低就是为了适应新的核技术应用领域的要求而研制的。它整个电路仅用4块集成电路及为数不多的外围元件静态功耗不大于300mw各项技术指标都较好工作稳定可靠。

1 .3虚拟仪器的发展

随着计算机、通信、微电子技术的不断的发展 以及网络时代的到来和信息化要求的不断的提高 网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势。在国内网络化虚拟仪器的概念目前还没有一个比较明确的提法也没有一个被测量界广泛接受的定义。期一般特征是将虚拟仪器、外部设备、被测试点以及数据库等资源纳入网络实现资源共享共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器可以在任何地点、任何时刻获取数据信息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障检测、报警等。

与以PC为核心的虚拟仪器相比 网络化将对虚拟仪器的发展产生一次革命网络化虚拟语气是一起发展史上的一次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现三大功能数据获取、数据分析及图形化显示分开处理分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的两大功能 以网线相连接实现信息资源共享。

1 .4论文的意义和基本思路

论文的意义在核辐射测量中核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系通过测量脉冲信号的幅度就可以知道入射线的能量.而在当今虚拟仪器技术已成为测试测量的主流技术本论文就是在硬件电路板的基础上利用虚拟仪器代替传统仪器进行测量这样既可以克服传统仪器测量的不便性又可以在虚拟仪器上得到精确的测量。

虚拟论文的基本思路

首先需有信号的输入那我自然而然的就想到首先要有信号源即产生脉冲信号于是我首先的任务就是要做一个简易的虚拟信号发生器实现的功能是在计算机上产生各种需要的波形。

其次有了虚拟信号发生器以后把它产生的信号通过硬件电路板 电路板各点产生的脉冲信号波形必须显示出来所以我的另一任务就是做一个虚拟的显示波形器件实现对各点波形的显示。

最后一个比较重要的部分就是数据采集这一块在虚拟函数发生器和示波器的两个程序框图中一定要加入DAQ助手否则就难以实现数据采集。

第2章 虚拟仪器技术研究

2. 1虚拟仪器概况

虚拟仪器(Virtual Instruments简称VI)技术的发展非常迅速是目前国内外测试技术界和仪器制造界十分关注的热点话题。它是出现于上世纪90年代初期的一种新型仪器它将许多以前由硬件完成的信号处理工作交由计算机软件进行处理这种测试仪器的硬件功能的软件化给测试仪器带来了深刻的变化 因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向之一。

图2一1虚拟仪器描述

虚拟仪器(Virtual Intrument简称VI)是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器是对传统仪器概念的重大突破是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器—模拟式仪器、第二代仪器—分立元件式仪表、第三代仪器—数字式仪器、第四代仪器—智能化仪器之后的新一代仪器。

图2-2仪器发展过程

传统的测量仪器主要功能可由①信号采集与控制②数据分析和处理③结果输出显示等三大部分组成而且这些功能都是以硬件(或固化的软件)形式存在只能由仪

器生产厂家来定义、制造用户无法改变。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在测量与仪器上的应用 已完全可以将其中的数据分析处理和结果输出交给基于计算机的软件系统来完成将信号采集与控制做成插件每个插件可以插入计算机的总线扩展槽内或专用的仪器插件板、插件箱内用计算机屏幕形象、方便的模拟各种仪器控制面板 以各种形式表达输出检测结果并用计算机软件实现各种各样的信号分析、处理完成多种多样的测试功能这样就可构成基于计算机的数字化测量仪器一虚拟仪器(VI) 。在这样的虚拟仪器系统中硬件仅仅是为了解决信号的输入输出完全可使用相同的硬件系统而通过不同的软件来可以实现功能不同的仪器通过修改软件的方法方便的改变、增减仪器系统的功能与规模即软件系统是虚拟仪器的核心软件可以定义各种仪器 因此可以说“软件即仪器” 。

虚拟仪器一般由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成。一般而言虚拟仪器所用的计算机是通用的计算机虚拟仪器根据其模块化功能硬件的不同而有多种构成方式:

1 PC-DAQ测试系统:是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。

2 GPIB系统:是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

3 VXI系统:是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

4 PXI系统:是以PXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

5 串口系统:是以RS232标准串行总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

6现场总线系统:是以FieldBus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

图2-3虚拟仪器构成方式

无论上述哪种形式的虚拟仪器系统都是通过应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机相结合其中PC-DAQ测试系统是构成虚拟仪器VI的最常用的最基本的方式 因为一般而言这种类型的虚拟仪器成本比较低它能充分利用计算机的计算能力。

目前为不同的应用目的和环境 已设计了多种性能和用途的数据采集板卡从低速采集板卡到高速同步采集板卡直至图象采集卡都有成熟的产品为虚拟仪器系统的建立提供了物质基础。

虚拟仪器的突出优点是与计算机技术结合仪器就是计算机主机供货渠道多、价格低、维修费用低并能进行升级换代;虚拟仪器功能由软件确定不必担心仪器永远保持出厂时既定的功能模式用户可以根据实际生产环境变化的需要通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能打破了传统仪器由厂家定义用户无法改变的模式适应实际科研、生产需要;拟仪器的硬件、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。尤其在测量、测试、计量、控制等领域。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量控制能力结合在一起大大缩小了仪器硬件的成本和体积。传统的一套完整的实验测量设备少则几万元多则几十万元。在同等的性能条件下相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。另外虚拟仪器能与计算机的文件存储、数据库、网络通讯等功能相结合具有很大的灵活性和拓展空间。在现代网络化、计算机化的生产、制造环境中虚拟仪器更能适应现代制造业复杂、多变的应用需求能更迅速、更经济、更灵活的解决工业生产、新产品实验中的测试问题。虚拟仪器强大的功能和价格优势使得它在仪器领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。如图2-4所示:

图2-4虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器 传统仪器

开放性、灵活、可与计算机技术保持同 封闭性、仪器间相互配合较差、关键是硬件、

步发展关键是软件升级方便。 升级成本较高。

价格低廉仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵仪器间一般无法相互利用

用户可以定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能

可以与网络及周边设备方便连接 功能单一只能连接有限的独立设备

开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高

技术更新周期短1--2年 开发更新周期长(5--10年)

2.2虚拟仪器硬件组成

根据仪器的总线及安装方式的不同虚拟仪器硬件功能模块可分为以下几类:

1.PC-DAQ数据采集卡、信号调理卡