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
使用的產品：
PCI-6602，LabWindows 6.1
挑戰：
該系統要求實時監測核脈沖信號的頻率，并能按照設定時間間隔連續監測各時間間隔的核脈沖個數。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新的測量算法。另外，要實現規定時間間隔內的連續精確測量難度較大。以上都是研制該系統時遇到的重大挑戰。
應用方案：
利用NI公司的PCI-6602硬件，充分發揮該硬件的技術特點，采用LabWindows 6.1開發出符合用戶要求的軟件，最終實現三個核脈沖通道的計數率實時監測以及規定時間間隔內的連續精確測量。
文章摘要：
該文介紹了利用NI公司的PCI-6602硬件以及LabWindows 6.1開發環境研制的中國實驗快堆物理啟動數據采集系統的基本原理，實現了三個核脈沖通道的計數率實時監測以及規定時間間隔內的連續精確測量，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據采集系統是在中國實驗快堆物理啟動階段必不可少的系統，它通過安裝在堆芯中的中子探測器實時監測堆芯中子強度的變化來了解物理啟動過程中的參數變化，從而為物理啟動的有序控制提供重要依據。該系統一共有3路核脈沖輸入通道，采用BNC插頭，接口電平為5V/TTL電平，核脈沖的最大計數率為5×106。以時間為橫坐標，計數率為縱坐標，以三種顏色曲線動態顯示3路核脈沖計數通道的計數率實時變化。三個通道的曲線可以根據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時間間隔和采集計數的個數，可以隨時啟動3路核脈沖輸入通道多個連續時間間隔內脈沖個數的精確測量，其中前后兩次時間間隔測量要實現無縫連結，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處理，因此我們選擇NI公司的PCI-6022作為硬件，該計數卡具有8個計數通道，每個通道之間能夠通過內部總線實現同步操作，各通道的最大計數頻率可以達到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作為軟件開發環境，它提供的Traditional DAQ函數庫支持對PCI-6022的操作，因此方便了程序設計。
該應用主要需要實現兩個主要功能，一是實現３路核脈沖輸入通道的計數率的實時監測，二是實現3路核脈沖輸入通道多個連續時間間隔內脈沖個數的精確測量。其中第一個功能實際上是需要監測３路核脈沖的頻率，而DAQ函數庫中提供了求脈沖寬度和脈沖周期的函數，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。但事實并非如此，測量脈沖周期的函數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，利用隨機出現的最近兩次核脈沖間隔來估計核脈沖的計數率顯然會以偏概全。因此，必須設計新的測量原理。經過分析發現，PCI-6022分別具有產生指定寬度的脈沖和在參考脈沖下計數的功能。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計數，則該計數結果即為該通道輸入的核脈沖的計數率。利用該原理監測到的計數率能夠取得非常高的精度，因為它是直接根據計數率的定義（單位時間內的計數）來進行監測的。利用該測量原理監測3路核脈沖的計數率一共需要4個計數通道，其中一個計數通道用于產生參考門信號，另外3個計數通道為3路核脈沖的輸入通道。下圖是實現該測量原理的時序圖。
圖1 PCI-6602產生脈寬和脈寬測量的時序原理圖
第二個功能是該系統開發中的技術難點，需要實現多個連續時間間隔內核脈沖計數的不間斷測量。上面介紹的測量原理可以實現一定時間間隔內核脈沖計數的單次測量，但不能實現多個連續時間間隔內的不間斷測量。因此，必須為第二個功能的實現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實現多個連續時間間隔內計數測量的時序原理圖
從圖上可以看出，仍然需要4個計數通道來實現兩種功能，其中3個計數通道用于接收核脈沖信號，完成觸發計數功能，另外一個通道用于產生一定寬度的脈沖，起到時間校準功能。圖中T1表示需要產生的校準脈沖的寬度，T2表示判斷校準脈沖產生是否結束并讀出3個計數通道的當前計數值所需時間，T3表示從開始啟動產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，最終實現多個連續時間間隔內核脈沖計數的精確測量。
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生器產生不同頻率的正弦信號來模擬核脈沖信號，對該系統進行了誤差分析。下面就對分析結果進行一下介紹。
首先是實時計數率監測結果，我們不斷改變正弦信號頻率，得到以下監測結果：當信號頻率在10k以下時，計數率監測誤差為零，而當信號頻率調高至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率實時監測畫面。
圖3實時計數率監測畫面
其次是對連續時間間隔內計數測量的監測結果，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時間間隔內的計數測量畫面。
圖4連續時間間隔內計數監測畫面（通道1：1k，通道2：10k）
圖5連續時間間隔內計數監測畫面（通道1：1M，通道2：100k）
總結：
中國實驗快堆物理啟動數據采集系統由于其重要性和特殊性，對系統指標提出了特殊要求，增加了系統開發的難度。我們選用NI公司的PCI-6602通用計數卡，充分發揮其特點，巧妙組合其基本功能，實現了該系統的特殊要求，取得了滿意的性能指標，是NI數據采集產品在核領域應用中的有效嘗試。
