淺談兩種儀器功能在計算機上的軟、硬件實現
多道幅度分析器和單道定標計數器是從事核科學實驗常用的實驗儀器，本文描述了這兩種儀器功能在計算機上的軟、硬件實現，并對該虛擬儀器在基于C／S和B／S兩種網絡模式上的構建進行了探討。多道幅度分析器的功能分析和軟、硬件實現多道幅度分析器是對探測到的核脈沖按不同的幅度進行計數，每個幅度值對應一道，最終繪制出道數―計數圖，找到計數峰值對應的幅度值，從而對核脈沖進行準確的能譜分析。要實現該功能，必須要有速度足夠快的數據采集卡，因為核脈沖上升沿非常快，脈峰很尖，另外數據采集卡還應該具有閾值觸發功能，由于核脈沖的產生具有隨機性，可能在兩個脈沖之間會存在較長時間的本底信號，如果不加區別地將所有信號都采集進計算機，則一方面會浪費大量的存儲資源，另一方面會大大增加計算機數據處理的負擔，所以需要對數據采集進行閾值觸發，去除大量的無用本底信號，只采集有用的核脈沖信號，從而為計算機爭取寶貴的數據處理時間。其次還要求數據采集卡具有雙緩沖存儲器結構，從而支持數據的連續采集，當一個緩存被采集數據填滿后，等待計算機取走，但數據采集并不中斷，采集數據被暫存到另一個緩存中，實現了數據的不間斷采集，為數據采集和數據處理同步進行提供了保證。
而數據處理程序的核心是要在所有的采樣點中找出真正的脈沖峰值，并在相應幅度對應的道中計數。經過長期實驗最終選用的算法是逐個比較采樣點的幅值，如果出現連續兩個幅值增加后又有連續兩個幅值減少則認為找到了一個真正的脈沖峰值。單道定標計數器的功能分析和軟、硬件實現單道定標計數器是在規定的時間內或定標路一定的計數范圍內對經過前端放大、濾波成形和電平轉換的核脈沖信號進行不同位置的計數處理，最終得到粒子強度的空間分布。與多道幅度分析器相比，單道定標計數器的功能相對簡單，它不需要對核脈沖的幅度進行刻度，只要核脈沖的幅度達到一定的閾值就能被甄別而計數。因此，在選擇硬件時應主要考慮它的計數功能。NI公司的PCI－6602是功能完善的一款高速計數卡，它最大的計數率能達到20M，具有100K、20M和80M三個可選的內時鐘，每個卡提供8個計數通道，能滿足單道定標計數器對多個位置進行核脈沖計數的實際要求，可以大大提高產品的性價比。在軟件設計上，重點是定時計數和定數計數的功能實現。通過對PCI－6602提供的基于LABVIEW的驅動程序的功能分析，知道了該卡能夠在OUT端口產生具有一定寬度的脈沖信號，脈沖寬度是以SOURCE端口的計數值作為基準，該計數值可以通過編程確定。如果將SOURCE端口的信號源設置為內時鐘，那么在規定的計數值內產生的脈沖寬度的時間間隔就能被確定，利用這個功能便能創造出定時計數所需要的時間基準。
同理，如果將SOURCE端口的信號源設置為外部輸入的脈沖信號，則在規定的計數值內產生的脈沖寬度就能作為定數計數所需要的定標基準。同時該計數卡還具有脈寬測量的功能，它可以在其GATE端口設置的脈沖寬度范圍內對SOURCE端口的脈沖信號進行計數，因此，只要將前面在OUT端口產生的具有一定寬度的脈沖引到計數通道的GATE端口，則就能完成單道定標計數器所要求的定時計數和定數計數功能。下圖是PCI－6602產生一定寬度的脈沖信號和進行脈寬測量的原理分析。前面提到一個PCI－6602卡最多可以提供8個計數通道，而至少有一個通道要用來實現定時和定數功能，所以最終真正可以用到的只有7個計數通道，如果實際需要多于7個計數通道，則必須增加計數卡，如何實現多卡的協調工作成為解決問題的關鍵。PCI－6602計數卡提供了內部RTSI總線用于多計數卡之間的互連，因此將用于實現定時和定數功能的通道的OUT端口的輸出信號引到RTSI總線上，所有用于計數的通道的GATE端口的輸入信號再從RTSI總線上引進，則一個卡上的定時和定數通道就能為所有用RTSI互連的計數卡提供定時和定數基準，從而順利完成計數通道的擴展，實現多卡的協調工作。目前用該方法已經實現了9個計數卡之間的互連，經過實驗驗證工作正常。
PCI－6602產生脈沖和脈寬測量的原理示意基于C／S網絡模式的虛擬儀器的設計與實現C／S（客戶機／服務器）網絡模式實現的是客戶機和服務器之間的點對點的數據通信，可以在服務器上裝上數據采集硬件和相應的數據采集程序，并對實時性要求比較高的算法進行初步處理。在服務器端建立服務連接，并不斷偵聽客戶機發送的服務請求，服務器程序可根據不同的服務請求做出不同的服務響應，滿足客戶機的服務要求。客戶機端首先需要連接到服務器程序，然后根據需要發出不同的服務請求，如控制服務器端數據采集的起停、請求傳送已經采集到并被初步處理的數據等，最后客戶機程序對得到的數據進行后續處理，實現數據的離線分析。網絡模式結構圖筆者在實驗室實現了對虛擬多道幅度分析器和虛擬單道定標計數器的基于C／S網絡模式的異地操作，分別編寫了相應的服務器端程序和客戶機端程序，取得了理想的控制效果。增加了偵聽客戶程序服務請求的子程序，使得服務器程序一旦被運行，就處于等待客戶程序操作請求的狀態，如果偵聽到的服務請求為開始采集的命令，則服務器程序開始采集數據，并對數據進行尋找峰值的初步處理，同時繼續偵聽停止采集數據的服務請求。數據采集停止后服務器程序可接受客戶程序要求傳送幅度譜數據的請求并把相應的數據傳送給客戶程序始計數或停止計數并向客戶程序發送各通道的計數結果等操作。客戶程序同樣實現的是向服務器端發送不同的服務請求并對得到的計數結果進行文件管理和簡單分析的功能。
在服務器上可以對網絡屬性進行設置，決定可以訪問的客戶機以及它們的訪問權限，有些客戶機可以設置為觀看并控制服務器端的應用程序，有些客戶機則只能觀看服務器端的應用程序。結論本文闡述的虛擬多道幅度分析器在低頻核脈沖的幅度分析中取得了很好的效果，在用放射源為鈷60，探頭為高純鍺探測器的現場測試中，當采樣率設為13M，下閾設為0.3伏時采集1000秒得到了清晰的雙峰值譜線。研制的虛擬單道定標計數器已經達到實用標準，現已被裝配到中國原子能科學研究院的多個單位的實驗室。中國糧油儀器網 http://www.yoshikomatsuura.com/
