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基于ZYNQ的多丝探测器数据采集系统的研制

宋凯  
【摘要】:随着医用重离子装置Heavy Ion Medical Machine(HIMM)的商业化发展,对加速器装置提出了小型化的需求。束诊系统是HIMM的重要组成部分,为研究人员提供HIMM的束流位置、束流强度、束流剖面等各种测量参数,各种束诊探测器均由束流探头、前端电子学和数据采集系统组成。多丝探测器系统用于测量束流剖面,输出的信号较小且通道数较多,需要高性能的前端电子学与数据采集系统用于信号放大和数据采集。当前的商业化数据采集系统不能很好的满足集成化设计和自主改造的需求。本文针对前端电子学输出信号和数据采集的工作特性,设计了一种基于ZYNQ-7000芯片的多丝探测器数据采集系统。本系统由ZYNQ主板、数据采集触发板和PC上位机组成,为降低设计开发难度和提高系统的集成度、稳定性,采用ZYNQ主板+ADC电路的子母版结构,即ZYNQ主板与数据采集触发子板。研究内容包换硬件设计、驱动程序和应用程序三部分。在ZYNQ的可编程逻辑部分实现数据采集和AXI总线传输,在处理系统部分移植Petalinux操作系统,在数据采集触发子板进行差分信号转换和数据采集,能够实现对前端电子学的数字信号触发和模拟信号采集,经模数转换后将数据通过千兆以太网通信传输到上位机。用户在上位机可以进行积分时间配置、采集控制和查看实时的数据采集结果。本文首先对数据采集原理和以太网通信原理进行阐述,然后对数据采集系统的整体设计、ZYNQ主板、ADC芯片的配置进行阐述,完成采集触发子板电路、FIFO、数据采集控制、AXI传输、以太网传输和上位机程序设计;最后对该数据采集系统进行了功能验证和性能测试。测试结果表明,整个系统运行方便,各通道数据采集速率可达1Msps,采集信号输入范围为-10V~+10V,最大测量偏差为1.13%;与前端电子学联合调试测试中,输入电流范围为5nA~50nA,非线性误差小于1.41%,能够满足实际的束流剖面测量,同时预留多种数据接口,可以满足其他不同类型的数据读出需求。


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