基于FPGA的核物理實(shí)驗(yàn)定標(biāo)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹使用現(xiàn)代EDA手段設(shè)計(jì)核物理實(shí)驗(yàn)常用儀器——定標(biāo)器的原理和實(shí)現(xiàn)方法。新的定標(biāo)器利用FPGA技術(shù)對系統(tǒng)中大量電路進(jìn)行集成，結(jié)合AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制和處理，并增加數(shù)據(jù)存儲功能和RS232接口，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。本文給出詳細(xì)新定標(biāo)器設(shè)計(jì)原理圖和FPGA具體設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：G-M計(jì)數(shù)器 定標(biāo)器 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件（FPGA）

定標(biāo)器在大學(xué)實(shí)驗(yàn)中有很廣泛的應(yīng)用，其中近代物理實(shí)驗(yàn)中的核物理實(shí)驗(yàn)里就有2個(gè)實(shí)驗(yàn)（G-M計(jì)數(shù)管和β吸收）要用到高壓電源和定標(biāo)器，而目前現(xiàn)有的設(shè)備一般使用的是分立元器件，已嚴(yán)重老化，高壓極不穩(wěn)定，維護(hù)也較為困難；另一方面在許多常用功能上明顯欠缺，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課難以維持。為此我們提出了一種新的設(shè)計(jì)方案：采用EDA進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮FPGA（Field Programmable Gate Array）技術(shù)的集成特性，拋棄原電路中眾多晶體管，成功地對系統(tǒng)中的大量處理電路進(jìn)行了簡化和集約，提高了儀器的可靠性和穩(wěn)定性，有利于電路的測試和檢修。改進(jìn)方案后的定標(biāo)器不僅完善了原有的功能，還增加了數(shù)據(jù)存儲、RS232接口等功能，可以方便地與PC機(jī)接口通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖像顯示和打印等。

1 G-M計(jì)數(shù)器原理

G-M計(jì)數(shù)管是一種低壓氣體放電管，作用是將入射粒子（射線）轉(zhuǎn)換成電壓脈沖輸出。原子核心物理實(shí)驗(yàn)中常用它作為計(jì)數(shù)裝置的“探頭”探測射線及射線強(qiáng)度。G-M計(jì)數(shù)管有2種：用于探測β射線的鐘罩型和主要用于探測γ射線的長圓柱型。其中鐘罩型β計(jì)數(shù)管的工作電壓為千V（伏）左右，圓柱型工作電壓接近千V（伏）。

射線粒子在計(jì)數(shù)管中引起氣體“雪崩”放電，使得計(jì)數(shù)管導(dǎo)通；電流通過負(fù)載電阻R形成一個(gè)負(fù)脈沖，此脈沖信號通過電容C，經(jīng)前置放大器送至定標(biāo)器計(jì)數(shù)，如圖1所示。由于計(jì)數(shù)管在放電終止后會形成連續(xù)放電現(xiàn)象，此現(xiàn)對計(jì)數(shù)管極其有害，故一發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)突然增加時(shí)，就應(yīng)立即降低高壓。改進(jìn)后的定標(biāo)器會自動控制高壓源，將其電壓降低。這些改進(jìn)。即可避免以前實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)管損壞問題。

2 定標(biāo)系統(tǒng)原理及硬件實(shí)現(xiàn)

定標(biāo)器系統(tǒng)由電源部分、輸入電路部分和脈沖計(jì)數(shù)顯示部分3個(gè)模塊組成，原理框圖如圖2所示。

G-M計(jì)數(shù)管產(chǎn)生的負(fù)脈沖經(jīng)過輸入整形電路，進(jìn)行整形、放大處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)TTL信號，再由計(jì)數(shù)測量電路進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)脈寬門控電路控制計(jì)數(shù)的脈寬，分6個(gè)檔：×10 -3、×10 -2、×10 -1、×10 0、×10 1、×10 2。時(shí)間倍乘檔有4種選擇：×1、×2、×4、×8。這樣進(jìn)行的一組測量數(shù)據(jù)即可以用來描述射線粒子產(chǎn)生的規(guī)律。 圖2中，顯示部分采用的是動態(tài)顯示的方法，利用單片機(jī)AT89C51來進(jìn)行即時(shí)的控制和相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)需要，選擇部分測量數(shù)據(jù)（包括此次計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)及對應(yīng)的高壓值）存儲到RAM中，然后將所選取的RAM中的數(shù)據(jù)通過RS232串行端口發(fā)送到PC機(jī)上，經(jīng)過相應(yīng)的處理軟件進(jìn)行描圖，以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。為了使系統(tǒng)更加集成化，特定時(shí)脈寬門控、計(jì)數(shù)測量電路、地址譯碼及數(shù)據(jù)鎖存、總線的驅(qū)動等電路集成到1片F(xiàn)LEX10K的FPGA中。圖3為系統(tǒng)詳細(xì)電路原理框圖。

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3 FPGA芯片設(shè)計(jì)

3.1 FPGA邏輯功能結(jié)構(gòu)及其總體設(shè)計(jì)

為了簡化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大量邏輯電路的集成，在設(shè)計(jì)中使用了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件（FPGA）。FPGA主要實(shí)現(xiàn)以下邏輯功能：定時(shí)脈寬門控、計(jì)數(shù)測量、地址鎖存、譯碼、總線的驅(qū)動和擴(kuò)展以及數(shù)碼顯示的控制等功能。其邏輯功能頂層結(jié)構(gòu)如圖4所示。FPGA器件選擇Altera公司FLEX10K10系列的EPF10K10LC84-4芯片。該芯片集成有1萬個(gè)等效邏輯門，含有572個(gè)邏輯單元（LEs）、72個(gè)邏輯陣列塊（LABs）、3個(gè)嵌入式陣列塊（EAB s），并具有720個(gè)片內(nèi)寄存器，可以在不占用內(nèi)部資源的條件下實(shí)現(xiàn)6144 bit的片內(nèi)存儲器；內(nèi)部模塊間采用高速、延時(shí)可預(yù)測的快速通道連接；邏輯單元間具有高速、高扇出的級聯(lián)鏈和快速進(jìn)位鏈；片內(nèi)還有三態(tài)網(wǎng)絡(luò)和6個(gè)全局時(shí)鐘、4個(gè)全局清零信號以及豐富的I/O資源；每個(gè)I/O引腳可以選擇為三態(tài)控制或集電極開路輸出，可以通過編程控制每個(gè)I/O引腳的速度以及I/O寄存器的使用。

FPGA使用的開發(fā)軟件為MAX+PLUS II。該軟件是一個(gè)集設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真和編程為一體的超級集成環(huán)境；提供了自動邏輯綜合工具，可以在多個(gè)邏輯層次上對高級設(shè)計(jì)描述進(jìn)行綜合、優(yōu)化，大大縮短了編譯時(shí)間，加速了FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)程。MAX+PLUS II支持各種HDL輸入選項(xiàng)，包括VHDL、Verilog HDL和ALTERA的硬件描述語言AHDL；提供豐富的庫單元供設(shè)計(jì)者調(diào)用，其中包括74個(gè)系列的全部器件和多種特殊的邏輯宏單元（macrofunction），以及新型的參數(shù)化的巨單元（magafunction）。

FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)過4個(gè)基本階段：設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)編譯、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和器件編程。首先，根據(jù)系統(tǒng)的邏輯功能生成頂層結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。然后，分成幾個(gè)小模塊進(jìn)行下一級設(shè)計(jì)。由此由上而下分析其邏輯功能，從底層進(jìn)行設(shè)計(jì)編譯，每一級都進(jìn)行波形驗(yàn)證。當(dāng)最后頂層模塊的邏輯功能在波形仿真中滿足系統(tǒng)時(shí)序要求時(shí)，才可進(jìn)行器件編程。

由于FLEX10K在工作期間，將配置數(shù)據(jù)保存在SRAM中，而SRAM數(shù)據(jù)是易丟失的。SRAM單元必須在器件加電后裝入配置數(shù)據(jù)，且配置完成后，它的存儲器和I/O引腳必須被初化。初始化后，器件進(jìn)入用戶模式，開始系統(tǒng)運(yùn)行。對于FLEX10K系列器件，Altera公司提供了4種配置方案：EPC1（或EPC1441）EPPOM方式配置法、被動串行法、被動并行同步法、被動并行異步法。對器件進(jìn)行配置時(shí)，我們先用被動串行法（passive serial）。這種方式是通過下載電纜對器件進(jìn)行配置的，適合于調(diào)試階段。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，利用EPPOM方式對器件進(jìn)行配置。這樣固化在EPROM中的數(shù)據(jù)將在系統(tǒng)上電時(shí)對FPGA芯片配置，其中EPROM芯片選用EPC1441。

3.2 FPGA單元模塊設(shè)計(jì)

FPGA單元主由脈沖計(jì)數(shù)模塊，定時(shí)控制模塊，地址鎖存、譯碼、總線驅(qū)動、擴(kuò)展模塊這3大模塊組成。其中脈沖計(jì)數(shù)模塊和定時(shí)控制模塊用來實(shí)現(xiàn)對輸入脈沖的計(jì)數(shù)次數(shù)的測量；地址鎖存、譯碼、總線驅(qū)動和擴(kuò)展這部分模塊，主要實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)在總線上的分時(shí)傳輸?？偩€上的數(shù)據(jù)包括脈沖計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)和電源模塊的高壓數(shù)據(jù)，以及來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線D0～D7的數(shù)碼顯示用數(shù)據(jù)。此模塊中的地址譯碼部分，提供鎖存單元片選信號。圖5所示為FPGA頂層電路圖。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到計(jì)數(shù)脈沖寬度為0.1～100μs，最高計(jì)數(shù)率為2MHz，即計(jì)數(shù)位數(shù)達(dá)7位，所以設(shè)計(jì)中的脈沖良數(shù)模塊就相當(dāng)于1個(gè)7位的BCD加計(jì)數(shù)器；而定時(shí)控制模塊相當(dāng)于1個(gè)7位的BCD減計(jì)數(shù)器。減計(jì)數(shù)器的預(yù)置初始值由定時(shí)選擇開關(guān)控制，從而控制數(shù)的時(shí)間。CLR信號為“計(jì)數(shù)鍵”產(chǎn)生的一脈沖信號，標(biāo)志計(jì)數(shù)開始，而減計(jì)數(shù)器減到0時(shí)加計(jì)數(shù)器即停止計(jì)數(shù)。這部分設(shè)計(jì)通過調(diào)用MAX+PLUS II提供的庫函數(shù)用AHDL語言結(jié)合圖形輸入完成。地址譯碼、鎖存、總線驅(qū)動模塊主要由D觸發(fā)器和I/O接口設(shè)計(jì)而成。由于數(shù)據(jù)傳輸中用的是雙向輸入/輸出端口，但是Altera芯片的引腳端口并不可以直接使用，需要加1個(gè)三態(tài)的邏輯門，因此，總線接口部分采用這2種函數(shù)原形（三態(tài)門和雙向端口）進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

3.3 FPGA功能模塊仿真時(shí)序

在整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)中，各單元模塊都是經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)驗(yàn)證之后才繼續(xù)上一層設(shè)計(jì)的。這里主要使用MAX PLUS II的TIMER進(jìn)行波形仿真，來驗(yàn)證各子模塊的功能，判斷其時(shí)序是否滿足要求。若時(shí)序稍有不對，甚至僅是小毛刺，也要立即更改輸入設(shè)計(jì)。這樣，設(shè)計(jì)的精度才高，系統(tǒng)工作才穩(wěn)定。當(dāng)每個(gè)模塊最終都在時(shí)序上滿足邏輯功能需求時(shí)，設(shè)計(jì)才能完成。圖6為FPGA在MAX PLUS II環(huán)境下綜合設(shè)計(jì)后的時(shí)序仿真波形圖。

4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是單片機(jī)AT89C51對系統(tǒng)進(jìn)行控制及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，整個(gè)控制流程如圖7所示。

結(jié)束語

本文給出了一種用于核物理實(shí)驗(yàn)中的G-M計(jì)數(shù)裝置定標(biāo)器的新設(shè)計(jì)方案。此方案在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理下，對舊儀器在電路和功能上做了較大程度的改進(jìn)。在設(shè)計(jì)中采用EDA設(shè)計(jì)思想，以AT89C51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂坪诵?，用Altera現(xiàn)場可編程邏輯器件（FLEX10K系列的FPGA）對核心計(jì)數(shù)部分電路進(jìn)行效而靈活的集成，并在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的存儲功能，增加了與PC機(jī)通信的RS232串行接口，從而更加智能化。