作者：仇春華，李興
職務：助理工程師，研究員
單位：中國原子能科學研究院
應用領域：
核測量
使用的產(chǎn)品：
PCI-6602，LabWindows 6.1
挑戰(zhàn)：
該系統(tǒng)要求實時監(jiān)測核脈沖信號的頻率，并能按照設定時間間隔連續(xù)監(jiān)測各時間間隔的核脈沖個數(shù)。由于核脈沖具有隨機性大、局部頻率高的特點，要求測量硬件具有較高的響應速度，同時不能采用普通的測量周期信號的辦法來測量核脈沖的頻率，必須利用硬件的特點開發(fā)新的測量算法。另外，要實現(xiàn)規(guī)定時間間隔內(nèi)的連續(xù)精確測量難度較大。以上都是研制該系統(tǒng)時遇到的重大挑戰(zhàn)。
應用方案：
利用NI公司的PCI-6602硬件，充分發(fā)揮該硬件的技術特點，采用LabWindows 6.1開發(fā)出符合用戶要求的軟件，最終實現(xiàn)三個核脈沖通道的計數(shù)率實時監(jiān)測以及規(guī)定時間間隔內(nèi)的連續(xù)精確測量。
文章摘要：
該文介紹了利用NI公司的PCI-6602硬件以及LabWindows 6.1開發(fā)環(huán)境研制的中國實驗快堆物理啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本原理，實現(xiàn)了三個核脈沖通道的計數(shù)率實時監(jiān)測以及規(guī)定時間間隔內(nèi)的連續(xù)精確測量，克服了主要的技術難點，取得了滿意的技術指標，達到了設計要求。
正文：
1． 設計要求
中國實驗快堆物理啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在中國實驗快堆物理啟動階段必不可少的系統(tǒng)，它通過安裝在堆芯中的中子探測器實時監(jiān)測堆芯中子強度的變化來了解物理啟動過程中的參數(shù)變化，從而為物理啟動的有序控制提供重要依據(jù)。該系統(tǒng)一共有3路核脈沖輸入通道，采用BNC插頭，接口電平為5V/TTL電平，核脈沖的最大計數(shù)率為5×106。以時間為橫坐標，計數(shù)率為縱坐標，以三種顏色曲線動態(tài)顯示3路核脈沖計數(shù)通道的計數(shù)率實時變化。三個通道的曲線可以根據(jù)用戶意愿決定單獨顯示某一路，某兩路或三路同時顯示。要求用戶可以在軟件面板上設置計數(shù)時間間隔和采集計數(shù)的個數(shù)，可以隨時啟動3路核脈沖輸入通道多個連續(xù)時間間隔內(nèi)脈沖個數(shù)的精確測量，其中前后兩次時間間隔測量要實現(xiàn)無縫連結，即不允許有任何測量中斷。
2．技術方案
考慮到該應用主要是需要對核脈沖進行計數(shù)處理，因此我們選擇NI公司的PCI-6022作為硬件，該計數(shù)卡具有8個計數(shù)通道，每個通道之間能夠通過內(nèi)部總線實現(xiàn)同步操作，各通道的最大計數(shù)頻率可以達到2×107，從硬件指標上完全滿足該應用的需求。我們選用LabWindows 6.1作為軟件開發(fā)環(huán)境，它提供的Traditional DAQ函數(shù)庫支持對PCI-6022的操作，因此方便了程序設計。
該應用主要需要實現(xiàn)兩個主要功能，一是實現(xiàn)３路核脈沖輸入通道的計數(shù)率的實時監(jiān)測，二是實現(xiàn)3路核脈沖輸入通道多個連續(xù)時間間隔內(nèi)脈沖個數(shù)的精確測量。其中第一個功能實際上是需要監(jiān)測３路核脈沖的頻率，而DAQ函數(shù)庫中提供了求脈沖寬度和脈沖周期的函數(shù)，似乎利用求得的脈沖周期很容易算出脈沖的頻率，第一個功能可以輕易的實現(xiàn)。但事實并非如此，測量脈沖周期的函數(shù)只適合周期信號測量，對于隨機性較大的核脈沖信號它的測量是不準確的，這是因為它主要依靠最近兩次脈沖間隔來估計脈沖頻率的，利用隨機出現(xiàn)的最近兩次核脈沖間隔來估計核脈沖的計數(shù)率顯然會以偏概全。因此，必須設計新的測量原理。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，PCI-6022分別具有產(chǎn)生指定寬度的脈沖和在參考脈沖下計數(shù)的功能。如果能將這兩種功能很好的結合起來，利用一個通道產(chǎn)生寬度為1秒的脈沖，并將該脈沖引入另一個通道作為參考門信號，使該通道在該門信號范圍內(nèi)計數(shù)，則該計數(shù)結果即為該通道輸入的核脈沖的計數(shù)率。利用該原理監(jiān)測到的計數(shù)率能夠取得非常高的精度，因為它是直接根據(jù)計數(shù)率的定義（單位時間內(nèi)的計數(shù)）來進行監(jiān)測的。利用該測量原理監(jiān)測3路核脈沖的計數(shù)率一共需要4個計數(shù)通道，其中一個計數(shù)通道用于產(chǎn)生參考門信號，另外3個計數(shù)通道為3路核脈沖的輸入通道。下圖是實現(xiàn)該測量原理的時序圖。
圖1 PCI-6602產(chǎn)生脈寬和脈寬測量的時序原理圖
第二個功能是該系統(tǒng)開發(fā)中的技術難點，需要實現(xiàn)多個連續(xù)時間間隔內(nèi)核脈沖計數(shù)的不間斷測量。上面介紹的測量原理可以實現(xiàn)一定時間間隔內(nèi)核脈沖計數(shù)的單次測量，但不能實現(xiàn)多個連續(xù)時間間隔內(nèi)的不間斷測量。因此，必須為第二個功能的實現(xiàn)再一次尋找新的測量原理。下圖顯示的即是所采用的新的測量原理的時序圖。
圖2 PCI-6602實現(xiàn)多個連續(xù)時間間隔內(nèi)計數(shù)測量的時序原理圖
從圖上可以看出，仍然需要4個計數(shù)通道來實現(xiàn)兩種功能，其中3個計數(shù)通道用于接收核脈沖信號，完成觸發(fā)計數(shù)功能，另外一個通道用于產(chǎn)生一定寬度的脈沖，起到時間校準功能。圖中T1表示需要產(chǎn)生的校準脈沖的寬度，T2表示判斷校準脈沖產(chǎn)生是否結束并讀出3個計數(shù)通道的當前計數(shù)值所需時間，T3表示從開始啟動產(chǎn)生校準脈沖到校準脈沖實際輸出的延遲時間。顯然，T1+T2+T3=設定的時間間隔。而T2和T3是每次都執(zhí)行相同命令的時間，因此，只要計算機的主頻不變，T2+T3就會保持不變，這樣我們就可以得到T1=設定的時間間隔-（T2+T3），通過實驗來刻度T2+T3，最終實現(xiàn)多個連續(xù)時間間隔內(nèi)核脈沖計數(shù)的精確測量。
3． 實驗結果分析
為了驗證以上技術方案是否滿足設計要求，我們在實驗室用信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦信號來模擬核脈沖信號，對該系統(tǒng)進行了誤差分析。下面就對分析結果進行一下介紹。
首先是實時計數(shù)率監(jiān)測結果，我們不斷改變正弦信號頻率，得到以下監(jiān)測結果：當信號頻率在10k以下時，計數(shù)率監(jiān)測誤差為零，而當信號頻率調(diào)高至1M時，誤差僅為17左右，可見能夠達到很高的測量精度，完全滿足了設計要求。下圖是我們不斷改變信號頻率時得到的計數(shù)率實時監(jiān)測畫面。
圖3實時計數(shù)率監(jiān)測畫面
其次是對連續(xù)時間間隔內(nèi)計數(shù)測量的監(jiān)測結果，達到的精度與上面的保持一致，即在信號頻率為10k以下時，誤差為零，下圖是不同頻率下連續(xù)時間間隔內(nèi)的計數(shù)測量畫面。
圖4連續(xù)時間間隔內(nèi)計數(shù)監(jiān)測畫面（通道1：1k，通道2：10k）
圖5連續(xù)時間間隔內(nèi)計數(shù)監(jiān)測畫面（通道1：1M，通道2：100k）
總結：
中國實驗快堆物理啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于其重要性和特殊性，對系統(tǒng)指標提出了特殊要求，增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度。我們選用NI公司的PCI-6602通用計數(shù)卡，充分發(fā)揮其特點，巧妙組合其基本功能，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的特殊要求，取得了滿意的性能指標，是NI數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品在核領域應用中的有效嘗試。
