在高速數據采集卡的不斷多樣化應用過程中,，出現了針對脈沖檢測的相關專業(yè)版本,，例如北京坤馳科技有限公司今年推出了應用脈沖檢測固件（具備數據壓縮功能）的一系列高速數據采集卡，該固件的特點如下：
·適用于動態(tài)脈沖檢測的自適應電平基線處理
·零抑制和優(yōu)內存使用的自適應數據記錄長度
·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算
1固件介紹
1.1脈沖識別和分析
脈沖檢測固件的目的為檢測脈沖和采集脈沖有效數據，本固件分兩部分,，脈沖識別、脈沖分析,。如下圖所示,，脈沖識別功能在脈沖開始和結束時都會終電平基線。數據記錄為零抑制的動態(tài)記錄長度,，即為無用信號被丟棄節(jié)省硬盤空間,。一致性觸發(fā)檢測幾個通道的同步事件。脈沖分析找到峰值和脈沖寬度,，采集時也會建立計算峰值和脈寬的直方圖,，在FPGA內實時運算并節(jié)省CPU資源。
圖1脈沖檢測和分析
1.2用于脈沖檢測的動態(tài)記錄和零抑制
新脈沖檢測固件（FWPD）與標準固件（FWDAQ）的不同如下圖所示,，標準固件（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立觸發(fā)功能和動態(tài)記錄長度,。動態(tài)記錄長度意為著只有有用的脈沖數據才會記錄，這個零抑制的記錄方式放松了采集數據率和硬盤空間,。
標準固件（FWDAQ）：
脈沖檢測固件（FWPD）：
如下圖,，脈沖檢測固件（FWPD）提供一個動態(tài)的觸發(fā)電平，觸發(fā)電平為相對于信號動態(tài)電壓基線的相對值,，信號基線電平為終信號波動的結果,。通過設置跟蹤基線和觸發(fā)點的時間，脈沖檢測固件應用一個活度檢測器,，觸發(fā)條件為dy / dx > z.
圖2. 脈沖檢測固件（FWPD）應用一個靈活的電平觸發(fā)（本處舉例的采集長度包括預觸發(fā)長度）
1.3脈沖特征分析
以下面幾種方式識別脈沖：
·不同通道脈沖間的通道一致性的時間,，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,，每個脈沖的峰值都會在直方圖記錄和顯示,。
·用于分析脈沖分布寬度的脈寬測量，每個脈沖的寬度都會在直方圖記錄和顯示,。
這些內置分析降低了向主機傳輸的數據速率需求,，以及CPU的負荷。
1.4結構框圖
脈沖檢測固件（FWPD）脈沖識別的結構框圖,，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立的,，除了一致性觸發(fā)模塊,，需結合所有通道的數據。
圖3脈沖檢測固件（FWPD）脈沖識別結構圖
圖4脈沖檢測固件（FWPD）脈沖特征分析結構圖
2輸入信號調理
2.1 模擬輸入
如圖3（a）,輸入模擬信號為單極性,，這意味著信號相對于一個DC值基線和一個信號脈沖構建的,。信號的DC值不必為0，一些DC耦合的高速數據采集卡,，將使得輸入信號的直流電平高于0點,，如果需要，AC耦合版本,，可以移動輸入DC電壓值,。
一個模擬的DC偏置加到信號中，可實現ADC的對稱輸入范圍充分使用,。這將使信號基線接近信號范圍的上限或下限,。峰值波形能覆蓋所有信號范圍。直流偏置有效的加倍了單極信號的分辨率,。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，以適應信號過沖,。
2.2 AC或DC耦合選項
AC或DC耦合版本選項為硬件選項,，DC耦合版本具有較高的靈敏度，AC耦合版本有較高的ENOB. DC耦合版本時會保留輸入信號的任何直流成分,。而AC版本會刪除信號直流成分,，AC和DC耦合版本都會使得信號的高頻部分通過，也就是脈沖通過,。
2.3 數字基線穩(wěn)定器,，DBS
對于常見的直接信號分析，模擬的直流電平（DC-level）是準確的,然而,，為得到非線性閾值操作的佳性能,，基線應該鎖定為一個確定值。本處由數字基線穩(wěn)定器（DBS）實現,其配置在A/D轉換器之后,。DBS是SP devices的一項專利技術,，通過分析數據、找到和調整基線為22位精度的目標值,。如圖5.
目標值由使用者設定,，好接近模擬增益（DC-offset），如果應用了DC-offset這一功能,。DBS應用了模糊識別的方法進行數據處理,，DBS是一直激活的，其不斷的監(jiān)視和跟隨基線變化,，并矯正基線為時不變值,。
圖5 DBS操作原理
2.2移動平均濾波器介紹
經DBS后得到的基線追蹤環(huán)境的變化速度相對較慢，許多應用中依據由參考DBS計算的當前基線值來取觸發(fā)電平值是好的解決辦法,，DBS的更新率為微妙級,，但在一些應用中可能不夠快。
脈沖檢測固件（FWPD）提供了一個移動的平均濾波器,，可快速追蹤基線變化,，例如,，由脈沖泄漏導致的變化等,。移動平均濾波器的范圍為4到100個采樣點，這意味著可用更新率為100納秒,。
移動平均濾波器針對的是觸發(fā)后信號的快速變化,，而不是整個信號的變化。DBS與移動平均濾波器結合使用效果更好,。
3觸發(fā)模塊
3.1 簡介
圖6 觸發(fā)過程中各模塊的關系與效果
3.2使用DBS進行基線值計算
基線值計算可由DBS直接得到,，而不使用移動平均濾波器。假如DBS的基線輸出結果為固定值,，那么觸發(fā)電平也為固定值（不具備移動平均濾波器的動態(tài)性）,。圖7顯示了是否使用移動平均濾波器的區(qū)別,。
圖7 使用DBS和移動平均濾波器計算基線值
3.3時間戳
高速數據采集卡中有個時間戳計數器，時間戳為觸發(fā)事件匹配時間點數據,，時間戳有利于研究測量時脈沖之間的時間,，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,，組合通道將產生相同的觸發(fā)，一致性功能由一個定義的一致性時間窗控制,。如圖8顯示了由個通道觸發(fā)啟動一個一致性窗,，然后第二個通道的觸發(fā)參照一致性窗后才會接收。
圖8 一致性觸發(fā)介紹
注：如果一致性功能被關閉(默認關閉),，所有其他通道獨立觸發(fā),。
4.2一致性窗
一致性窗是一個通道已經觸發(fā)后的窗，可與其他通道結合,，如圖9,，通道A觸發(fā)事件為TriggerA，時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
動態(tài)記錄支持單個采樣過程記錄多個脈沖,，脈沖由閾值電壓確定,，閾值電壓包括一個觸發(fā)電平和一個復位電平，一次記錄多可記錄16個脈沖,，圖2,，顯示了一次記錄采集2個脈沖。
峰值和超過閾值時間也會用于直方圖的統(tǒng)計分析,，板卡建立直方圖很大的降低了到主機的數據傳輸率和CPU負荷,。
圖10 峰值檢測和超閾值時間定義
脈沖特征數據可作為采集的一部分，特征數據可以用三種方式保存起來,。數據的頭包含了采集信息,，如通道、采集數目,、時間戳,。脈沖記錄段為表示脈沖波形的時域采樣序列。
脈沖特征數據由脈沖分析功能模塊輸出,，即峰值和超閾值時間長度,。這些信息放在整個記錄空間的后。設置記錄長度時，需確定有足夠的空間來實現腳注這種記錄,。
也可以只記錄脈沖特征數據,，如圖11（c）,這可以節(jié)省向主機傳輸的數據率和硬盤空間。圖11顯示了包括三種脈沖特征數據的記錄方式,。
圖11 3種脈沖記錄模式
6數據傳輸到主機
6.1 采集傳輸順序
數據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）證實了這些數據是如何傳到主機的,，并附注了一些細節(jié)解釋,。
圖12 觸發(fā)采集和將數據傳到主機
·A2開始晚于B2，但結束早于B2,，因此先傳A2.
·B1先于C1結束,，因此先傳B1.
·單次記錄單元結束前，A1有兩次觸發(fā),，這兩個脈沖存儲到同一個記錄空間內,。
·記錄的D1，D2,，D3為同一個通道的尖峰,。
·時間戳相對于記錄單元的觸發(fā)位置，但數據傳輸是在傳輸單元裝載結束時,，因此記錄單元內不以時間戳的順序傳輸,。
6.2 數據傳輸到主機
根據用戶手冊，可設置為觸發(fā)數據流模式向主機傳輸采集數據,。
6.3 FIFO 溢出
數據率適動態(tài)的并有數據驅動,，為了處理不均勻的數據流，在ADQ14上有一個大的FIFO（2 GBytes）,，FIFO可以處理高速脈沖的多個尖峰,。如果FIFO裝滿數據，后面的數據將會丟失,。
6.4 記錄單元數據頭
每次記錄都會有數據頭存儲記錄相關信息,。
7多單元同步
7.1操作
多單元同步可實現單個系統(tǒng)的多個檢測器的解決方案。每個ADQ14板卡都有一個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鐘,，系統(tǒng)才能實現正確同步工作。
當一個來自于數字化儀輸出同步信號產生一個共同的時間參考,，板卡之間的同步為一個菊鏈操作,，公共的時間參考用于系統(tǒng)內所有同步板卡的時間戳計數器對準,。
一旦時間戳同步,，采集過程中，單個板卡與其他不同板卡的所有獨立通道都會實現內部對齊，同步觸發(fā)通過相同的信號路徑分發(fā),。
7.2USB,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,，這些接口都在數據采集卡的前面板,。
圖13 利用USB,MTCA,PXIe接口連接同步信號
7.3PCIe連接器
同步輸入和輸出信號通過PC機箱內部專用連接頭傳輸。如圖14.
圖14 以PCIe的接口連接同步信號
8應用舉例
8.1啟動
脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）裝有示例代碼和快速開始的啟動套件,。因為脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）是數據驅動的,，系統(tǒng)次的設置是需要技巧的，輸入信號需為系統(tǒng)期望的,，所有的觸發(fā)條件必須正確設置以使得實際采集時得到正確觸發(fā),。
啟動套件包括：
·SMA連接器的同軸電纜
·軟件例程
啟動套件的目的是次使用脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）保證一個可控的開啟環(huán)境，內部觸發(fā)生成器用來產生一個已知脈沖,，這個脈沖可由前面板的TRIG SMA連接口得到,，設置測試通過以下三步：
1，將衰減器連接到觸發(fā)輸出,，以使得信號電平在ADQ14的輸入范圍內,。
2，連接衰減觸發(fā)輸出到輸入通道A的SMA接頭,，如圖15.
3,，運行FWPD_simple_example檢測信號
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，并看更改參數的效果,，用實際信號測試脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）并后搭建應用,。
圖15脈沖檢測固件（ADQ14-FWPD）啟動套件
8.2啟動順序
下表為程序啟動的相關順序操作步驟：
8.3流盤
軟件例程顯示了如何設置數據采集的流盤動態(tài)采集長度和時間戳信息，更多流盤信息在編號為15-1619應用筆記中看到,，示例代碼實現了特定硬件環(huán)境下1.5 GBytes/s的持續(xù)流盤速率,。
8.4過程監(jiān)測
脈沖采集的數據頭帶有采集和脈沖的相關信息，ADQ14的數據頭也包含FIFO轉載程度信息,，如果裝載程度過高,，就有數據溢出和丟失的危險，通過使用FIFO裝載因數,，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時,，可能會不能有效的檢測信號,，當單次數據長度上升到確定值時,，可以向數字化儀發(fā)行中止指令，系統(tǒng)隨后重啟,。這個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飛行時間檢測
進行粒子飛行時間測量時,，從一個陣列到另一個陣列探測器的粒子,，只有兩個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,，設置一致性開啟觸發(fā)為個陣列觸發(fā)（通道A或B）,然后接收第二個陣列觸發(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每個檢測到脈沖的時間戳表示了一個粒子在兩個檢測器陣列之間的飛行時間,，為了找到飛行時間，查找通道A或B的對應脈沖,，該脈沖帶有匹配一致性窗和時間戳,。
圖16 飛行質譜觸發(fā)一致性應用舉例
下表為具體的通道一致性參數設置：
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