摘 要：采用LabVIEW編程，以數(shù)據(jù)采集卡PCI-6071E為主要硬件，設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬單路計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)32路不同核脈沖信號(hào)的4096道脈沖計(jì)數(shù)和譜數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的虛擬計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了資源共享、具有使用靈活、易于擴(kuò)充和易于修改等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虛擬；計(jì)數(shù)器；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TM935.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）06-0016-03

Abstract ：Using LabVIEW programming，taking the data acquisition card PCI-6071E as the main hardware，a virtual one-way road counter system is designed. The system realizes 4096 pulses counting and pre-processing of spectrum data for 32 different nuclear pulse signals. The experimental results show that the designed virtual counter achieves the advantages of resource sharing，flexible use，easy expansion and easy modification.

Keywords：virtual；counter；LabVIEW

0 引 言

基于PCI總線的通用數(shù)據(jù)采集卡或?qū)Ｓ糜?jì)數(shù)器/定時(shí)器卡都能滿足設(shè)計(jì)要求。但是由于通用數(shù)據(jù)采集卡擁有A/D和增益控制，可減免外圍電路設(shè)計(jì)，可將探測(cè)器中的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后直接輸入數(shù)據(jù)采集卡中，所以本設(shè)計(jì)采用了美國(guó)NI公司的通用數(shù)據(jù)采集卡PCI-6071E。針對(duì)目前虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，即多使用文本式的編程語(yǔ)言和圖形化的編程語(yǔ)言，采用編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高的LabVIEW系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)提供功能強(qiáng)大、編譯速度快、界面友好的高級(jí)分析函數(shù)和各類虛擬儀器界面，再結(jié)合帶有LabVIEW的驅(qū)動(dòng)程序軟件包和LabVIEW應(yīng)用平臺(tái)編程時(shí)直接調(diào)用的驅(qū)動(dòng)程序和相應(yīng)的Vl的CB公司數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行研究。

1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)是基于Windows XP以上平臺(tái)的32個(gè)應(yīng)用程序。在Windows XP系統(tǒng)中使用NI公司的LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)工具，其底層驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镈AQ 8.3。

系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)顯示保存組成。其數(shù)據(jù)采集方式有可由用戶進(jìn)行控制的定時(shí)采集和實(shí)時(shí)連續(xù)采集等；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)尋峰、譜平滑、感興趣區(qū)等模塊進(jìn)行譜分析；再經(jīng)在顯示界面上實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)系完成數(shù)據(jù)顯示保存功能，實(shí)現(xiàn)能譜數(shù)據(jù)的保存及相應(yīng)數(shù)據(jù)的離線讀寫(xiě)。整個(gè)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用模塊化結(jié)構(gòu)自頂而下的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)軟件的擴(kuò)充、修改和維護(hù)。

在整個(gè)程序中，數(shù)據(jù)采集既可以用軟件控制開(kāi)始，也可以用硬件觸發(fā)模式開(kāi)始，并可對(duì)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間進(jìn)行控制；軟件以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)曲線表示或者用靜態(tài)的數(shù)據(jù)表格形式顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，其中曲線的任意部分可以局部放大。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隨時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)出和存儲(chǔ)，并對(duì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。最后將數(shù)據(jù)以曲線形式或表格形式打印出來(lái)。采用32位操作系統(tǒng)的多線程核心技術(shù)，不會(huì)對(duì)任何處理數(shù)據(jù)帶來(lái)影響。

2 單通道數(shù)據(jù)的采集

單通道輸入的脈沖信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)保存到采集卡中的臨時(shí)緩沖區(qū)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到預(yù)先設(shè)置的內(nèi)存緩沖區(qū)中。連續(xù)采樣時(shí)需依據(jù)能道寬度時(shí)間所對(duì)應(yīng)的譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行相應(yīng)的加1操作，再經(jīng)尋峰模塊對(duì)單位道址上的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。最后將譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的道址值和脈沖信計(jì)數(shù)值均輸入在譜顯示窗口中，其中將道址值作為橫坐標(biāo)、計(jì)數(shù)值作為縱坐標(biāo)來(lái)顯示相應(yīng)的譜線，其緩沖區(qū)會(huì)隨采樣率的變化而作相應(yīng)的調(diào)整。數(shù)據(jù)采集的程序流程圖如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊前面板設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集設(shè)置、采集控制、譜線實(shí)時(shí)顯示、部分波形顯示、簡(jiǎn)單結(jié)果分析構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集模塊界面。通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)采集的通道、采樣頻率、單次采集和連續(xù)采樣模式后，再設(shè)置外觸發(fā)模式及觸發(fā)閾值。另需選擇輸入信號(hào)幅度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)正負(fù)雙極性脈沖信號(hào)的采集。

有采集“開(kāi)始”“停止”“手動(dòng)/定時(shí)”三個(gè)控制按鈕進(jìn)行采集控制。有“手動(dòng)/定時(shí)”兩種模式，其中默認(rèn)狀態(tài)為手動(dòng)模式，若需定時(shí)采集，用戶需按下“手動(dòng)/定時(shí)”按鈕并設(shè)置采集測(cè)量時(shí)間。

簡(jiǎn)單結(jié)果分析能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)前采集的總數(shù)據(jù)量和測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示目前測(cè)量所耗的時(shí)間。測(cè)量完畢再對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，完成總的脈沖數(shù)以及系統(tǒng)死時(shí)間。

2.2 采集模塊功能的分析

采集模塊流程：初始化、采集控制、幅度分析、道譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，完成數(shù)據(jù)信息采集。其難點(diǎn)在于在盡量提高數(shù)據(jù)采集速度的前提下減少死時(shí)間。在一般脈沖信號(hào)的上升時(shí)間為0.5-8μs的隨機(jī)分布的快脈沖信號(hào)，需要采集數(shù)據(jù)上兆赫茲的采樣頻率，否則就會(huì)出現(xiàn)漏記脈沖信號(hào)，使得采集結(jié)果誤差偏大。數(shù)據(jù)采樣頻率硬件方面和軟件方面共同決定，硬件上需要數(shù)據(jù)采集卡的采樣率能夠達(dá)到數(shù)據(jù)采集的要求；軟件的數(shù)據(jù)處理的速度要跟上數(shù)據(jù)采集的速度，就不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，其中優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理程序是提高數(shù)據(jù)采樣頻率的關(guān)鍵。

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需先設(shè)置數(shù)據(jù)采集觸發(fā)方式，設(shè)置閾值對(duì)不同的能量進(jìn)行甄別，當(dāng)脈沖幅度超過(guò)閾值，觸發(fā)連續(xù)采樣，并計(jì)算出采樣信號(hào)的脈沖峰值。采用“觸發(fā)—采樣—再觸發(fā)”方式來(lái)減少采集卡上緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量，降低實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的難度，連續(xù)采集采用雙緩沖區(qū)來(lái)提高系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的適應(yīng)能力。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有的緩沖器半滿中斷功能，實(shí)現(xiàn)緩沖器半滿時(shí)中斷請(qǐng)求計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，并將采集數(shù)據(jù)存放在緩沖器后半部分；緩沖器全滿則將數(shù)據(jù)存放在緩沖器前半部分，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高速實(shí)時(shí)采集的需要。數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單參數(shù)幅度分析。通過(guò)逐次比較法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，以獲取脈沖信號(hào)幅值，再對(duì)波形進(jìn)行相應(yīng)的尋峰處理即可達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

核脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形到數(shù)據(jù)采集卡的傳輸過(guò)程中，易受到外界信號(hào)干擾。核脈沖信號(hào)上升時(shí)間短，而脈沖峰的頂部及下降沿部分采集的數(shù)據(jù)量較多，采集數(shù)據(jù)中的噪聲信號(hào)會(huì)影響小幅度的快速波動(dòng)。上述尋峰法會(huì)尋找多個(gè)脈沖峰，就會(huì)存在多個(gè)脈沖幅值，再通過(guò)尋峰模塊判斷上升沿來(lái)確定真脈沖波形。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀察和理論計(jì)算得出當(dāng)N取3時(shí)的尋找結(jié)果最為準(zhǔn)確。其尋峰模塊框圖如圖2所示。

采樣率越高時(shí)其數(shù)據(jù)量就越大，軟件的處理能力也就需要越強(qiáng)，否則就會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，在設(shè)置采集頻率時(shí)不能僅追求高采樣率，而應(yīng)根據(jù)脈沖信號(hào)上升時(shí)間，選擇合理的采樣頻率和觸發(fā)閾值即可獲得最佳的測(cè)量精度。對(duì)負(fù)極性脈沖信號(hào)，將幅度提取修改為下降，再判讀連續(xù)下降的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集停止后再對(duì)譜數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的分析。

2.3 實(shí)時(shí)顯示譜數(shù)據(jù)

譜線顯示部分實(shí)現(xiàn)了脈沖的4096道譜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，圖形坐標(biāo)的橫坐標(biāo)為道數(shù)，縱坐標(biāo)為脈沖的計(jì)數(shù)值。通過(guò)更新緩沖區(qū)數(shù)據(jù)完成刷新譜線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，利用鼠標(biāo)拖動(dòng)或用鍵盤(pán)控制左右移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)譜線窗口中的光標(biāo)設(shè)置，即可在數(shù)據(jù)窗口上顯示光標(biāo)的坐標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)數(shù)。圖像顯示窗口還可進(jìn)行局部放大，完成譜線顏色與點(diǎn)形的選擇等。通過(guò)波形顯示窗口顯示部分原始脈沖波形或清晰放大的脈沖波形。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)核譜數(shù)據(jù)平滑和感興趣區(qū)域兩個(gè)個(gè)譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)譜的顯示、平滑模塊、感興趣區(qū)三個(gè)部分。

3.1 譜平滑處理

射線、探測(cè)器和電子學(xué)噪聲等因素存在統(tǒng)計(jì)漲落是造成譜數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生誤差的根源，會(huì)導(dǎo)致尋假峰或丟失弱峰，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)加大峰凈面積誤差。為減少統(tǒng)計(jì)漲落，在保留其譜曲線平滑前的特征和意義時(shí)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的平滑處理，以確保峰的形狀和凈面積不發(fā)生大的變化。為了得到最佳的平滑效果，虛擬計(jì)數(shù)器為用戶提供了四種平滑濾波器方法進(jìn)行平滑處理，通過(guò)選擇合適的參數(shù)構(gòu)建不同的數(shù)字濾波器，并對(duì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

3.2 濾波器平滑處理

LabVIEW系統(tǒng)的濾波器平滑的基本思想，是把譜數(shù)據(jù)認(rèn)為是低頻信號(hào)和高頻信號(hào)之和。選取合適的數(shù)字濾波器、設(shè)置不同的截至頻率。針對(duì)實(shí)際信號(hào)的復(fù)雜多樣性，其高頻信號(hào)中包含所有信號(hào)信息，而低頻信號(hào)中存在噪聲，故不能通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波器來(lái)直接處理。針對(duì)不同類型的濾波器類、窗函數(shù)，用戶可以通過(guò)濾波器的多種參數(shù)組合來(lái)處理較復(fù)雜的譜信號(hào)。

在LabVIEW系統(tǒng)中的最簡(jiǎn)單的中值濾波器，較復(fù)雜的IIR濾波器，可加窗函數(shù)的FIR濾波器和等波紋濾波器。用戶自行選擇如窗函數(shù)類型（漢明窗、漢寧窗等）、IIR濾波器設(shè)計(jì)中的濾波器類型（巴特沃茨濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器等）相應(yīng)的參數(shù)。還可以選擇高通、低通、帶通、帶阻等類型以及設(shè)置上下限截至頻率等。通過(guò)設(shè)置合適參數(shù)的FIR濾波器，再將濾波后譜數(shù)據(jù)及原始譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。程序操作時(shí)可選擇結(jié)構(gòu)，并讀取濾波器的輸入?yún)?shù)，在輸入不同的參數(shù)后構(gòu)建相應(yīng)的濾波器，再對(duì)其譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理

為方便用戶對(duì)操作數(shù)據(jù)讀寫(xiě)處理和分析操作，需對(duì)保存文件添加索引配置文件。由數(shù)據(jù)文件和問(wèn)縮影配置文件構(gòu)成原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件是保存采集獲取的原始數(shù)據(jù)；而問(wèn)縮影配置文件是保存與原始數(shù)據(jù)相關(guān)的配置信息，主要包括日期時(shí)間以及數(shù)據(jù)文件地址等相關(guān)信息。在進(jìn)行保存數(shù)據(jù)文件時(shí)，用戶只需確定數(shù)據(jù)文件名和保存地址，程序?qū)?huì)自動(dòng)完成同名配置文件，且與數(shù)據(jù)文件處在同一目錄下。用戶在進(jìn)行讀取原始數(shù)據(jù)操作時(shí)，可以打開(kāi)數(shù)據(jù)文件或進(jìn)行文件配置。

4 結(jié) 論

基于LabVIEW的單路計(jì)數(shù)器通過(guò)使用SCB-100電纜對(duì)被測(cè)信號(hào)和采集卡進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)測(cè)量，以及譜數(shù)據(jù)的處理、分析功能，能替代傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器應(yīng)用于核脈沖信號(hào)的常規(guī)測(cè)量中。

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作者簡(jiǎn)介：周熠（1979.01-），男，漢族，湖南衡陽(yáng)人，講師。從事核探測(cè)技術(shù)研究。