ADI公司是世界領先的高性能信號處理集成電路制造商，是全球主要的可編程DSP芯片供應商之一。Blackfin DSP是目前ADI主推的旗艦DSP，由ADI公司和Intel公司共同開發，采用了MSA(Micro Signal Architecture)結構。這種體系結構將藝術級的dual-MAC DSP 引擎、簡潔的RISC式微處理器指令集的優點以及單指令多數據(SIMD)多媒體能力結合起來，形成了一套獨有的指令集體系。ADSP-BF537是Blackfin DSP系列產品中最新成員之一,它可以實現600 MHz的持續工作,峰值運算能力1 200 MACs,能滿足本系統高速數據處理需求。ADSP-BF537芯片配置中：L1數據存儲器包括2個32 KB SRAM的Bank，每個Bank均由2個16 KB SRAM組成,用于系統數據緩沖器;SPI口可用于程序加載;CAN2.0B接口用于系統的數據傳輸;支持DMA請求的PPI接口用于與A/D轉換器的數據傳輸;其片內自帶1～63倍的PLL用于設置系統時鐘;內核電壓可在0.8 V～1.2 V設置,用于控制功耗?？梢奃SP-BF537芯片配置十分強大、功能齊全，非常適合數據采集和過程控制場合,能充分滿足本設計所需高速采樣的需求，并留有一定余量。
　　A/D轉換器采用AD9225，它是ADI公司生產的單電源供電、12位精度、時鐘驅動、25 MS/s高速模數轉換器，片內集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源。AD9225采用帶有誤差校正邏輯的四級差分流水結構，以保證在25 MS/s采樣率下獲得精確的12位數據。除了最后一級，每一級都有一個低分辨率的閃速A/D與一個殘差放大器（MDAC）相連。該殘差放大器用來放大重建DAC的輸出和下一級閃速A/D的輸入差，每一級的最后一位作為冗余位，以校驗數字誤差。AD9225采用單一的時鐘信號來控制內部所有的轉換，A/D采樣在時鐘的上升沿完成。在25 MS/s的轉換速率下，采樣時鐘的占空比保持在45％～55％之間；如果轉換速率降低，占空比也可以隨之降低。它還具有并行外設接口（PPI），通過這個接口把數字化后的數字信息并行輸出。
　　探測器輸出的反映伽馬射線能量大小的電脈沖，通過電容耦合進入前置放大器，經放大和跟隨驅動后，送入AD9225高速A/D轉換器對輸入信號進行25 MHz的高速采樣，然后通過DMA方式送到DSP內部緩沖區，緩沖區設置成雙緩沖形式，當一個緩沖區填滿后，DMA自動指向下一緩沖區，同時DSP對上一個緩沖區數據進行峰值檢測。由于伽馬脈沖采用電容耦合，電容的充放電就不可避免地要導致測量信號的基線發生漂移，因此在進行全波采集時要包括基線值采集，然后與脈沖采樣值相減，得到實際的脈沖幅度。其實最合理的做法應采用基線恢復器，將采樣的基線電壓值再通過數模轉換作為基線恢復器控制輸入，以便在脈沖過后對電容進行快速放電，使電容兩端電壓差始終保持在零電平。特別是在脈沖頻率高、信號幅度大的情況下，電容所充電荷難以在脈沖間隙時間內自然放電，使基線逐漸抬高，可能造成高幅度脈沖的丟失。溫度等外界環境變化會對系統測量產生影響，其結果是導致測量的信號幅度下降，使測量不能得到正確的能譜，因此增加了高壓控制功能，DSP將常溫下某個標準特征能量窗口計數率的變化換算成調整電壓量，通過D/A調節探測器光電倍增管高壓大小，實質上是改變測量信號的輸出幅度，也即系統的放大倍數，從而調節探頭輸出信號幅度，嚴格保證所測信號能譜穩定不變。為保證DSP的有效運行，增加了時鐘電路、復位電路、程序加載電路等；為保證AD9225的有效采集，增加了減噪濾波、信號箝位以及電平轉換等電路。
2 系統軟件設計
　　系統軟件實現功能包括：能譜數據采集及高壓控制等。按照工作流程分為：系統初始化程序、能譜測量程序和穩譜控制程序等，具體程序流程如圖2所示。

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　　程序開始后首先進行初始化，包括：時鐘頻率初始化、存儲器初始化、同步串口初始化、CAN初始化、PPI和DMA0初始化。初始化完成后，系統就進入了正常狀態。通過不斷查詢DMA中斷標志位判斷當前A/D采樣緩沖區是否已滿，如果已滿，則查詢緩沖區標志位，判斷是雙緩沖區中的哪一個緩沖區滿，然后將數據指針指向已滿緩沖區。隨后能譜測量程序對數據指針指向的緩沖區進行峰值檢測，檢測到脈沖峰值后，將峰值對應地址處的數據加1，然后程序又進行DMA中斷判斷，繼續判斷A/D采樣緩沖區是否已滿，如此周而復始完成能譜測量。
　　能譜測量程序的功能是檢測A/D采樣緩沖區的數據峰值，每檢測到一個峰值，就將峰值對應地址的數據加1，隨著時間的累積就得到了所測量的信號伽馬射線能譜。具體程序流程圖如圖3所示。

　　能譜測量程序的核心是獲取信號脈沖的峰值，并按照峰值大小尋址。變量Max保存當前比較的最大值，變量Inpeak表示當前點是否是處于脈沖信號內，1表示在，0表示不在。程序開始首先初始化變量，然后進入循環體，循環長度設為N次，N與緩沖區數據點數相同，循環長度主要取決于信號脈沖本身的頻率大小以及系統能夠提供的采樣速率。進入循環體后，首先讀取緩沖區的第一個數并賦給變量Input，由于A/D采樣位數為12位，可形成1 024道能譜，但從系統要求和系統精度考慮，256道能譜就能滿足使用要求，所以將Input右移4位，僅用高8位數據。隨后Input與噪聲門限作比較，如果小于門限，則判斷上一個點是否處于該脈沖信號內，如果是則說明此時已經跳出脈沖，當前最大值Max即為信號峰值，如果上一個點不在脈沖信號內，則此時沒有信號峰值。如果與門限比較的結果為高于門限，則將Inpeak置1，說明當前處于脈沖信號內，然后比較當前Input是否大于Max，如果大于，則將Max值用Input值替換，循環體末尾將地址指針遞增，指向下一個數據。如此循環往復，就可準確地獲得每一個信號脈沖的峰值，進而形成伽馬射線能譜。
　　穩譜控制程序的核心是將被監測的伽馬射線特征能量窗口計數率的變化，換算成系統控制電壓的變化，通過調整光電倍增管高壓進而調整系統的閉環增益，從而使系統處于穩定狀態。采用四窗判別法，在特征能量窗兩邊各取兩個窗口，計數率分別為N1、N2、N3、N4，在采集系統穩定時，它們之間應該符合如下關系：
　　

　　SF就是所謂的穩譜因子。實際上SF嚴格為零是不可能的，只能逼近于零。SF因子和系統增益能夠建立清晰關系，當SF<0時，表明能譜往左漂移，系統增益減小，需要增加高壓以增大增益，使能譜右移；當SF>0時，表明能譜往右漂移，系統增益增加，需要減少高壓以降低增益，使能譜左移。程序首先計算SF值，如果SF>0.3，則采用比較大的高壓調節步距，以便系統能比較快速地達到穩定狀態；如果SF<0.3，則采用較小的高壓調節步距，以便緩慢接近穩定狀態，避免造成系統震蕩而達不到穩定狀態；SF<0.2時，采用更小的調節步距；而SF≤0.1時，則認為系統基本穩定，不再進行調整。SF取值范圍越寬，取值點越多，則調整更精確、系統更穩定，但一個穩譜周期占用時間也越長，因此應進行整體考慮。
3 系統測試
　　對高速采樣進行測試。在高速A/D端輸入頻率為10 kHz的正弦信號，A/D采樣頻率為25 MHz，采樣4 000個點,即得到4 000個數據,對這4 000個數據進行軟件恢復可得如圖4所示波形。

　　從圖4可以看出，正弦波一個周期點數為2 500個點，根據25 MHz的采樣頻率可以換算出信號頻率為10 kHz，與信號一致，從而證實A/D的工作正常。
　　使用實際的自然伽馬能譜探頭進行測試，輸出信號脈沖寬度為2μs左右，幅度在4V以內，信號干擾小于15mV。圖5為采集時間為3 min的能譜，圖中橫坐標為能譜道數，縱坐標為對應的能譜值。與原有的電容取樣的峰值測量多道分析器比較，能譜形狀和幅度完全一致。但在模擬脈沖信號的測試中，當輸入脈沖頻率大于300 kHz時，電容取樣的多道分析器已不能正常運轉，而本系統在900kHz情況下還能準確采集能譜數據。

　　基于波形高速采樣的能譜采集系統的實現，為核測井能譜測量提供了一種可供選擇的技術與手段，并在實際的使用中取得了效果，表明系統采用的采集方法正確，電路與軟件設計可靠合理，必將在核測井應用中發揮應有的作用。