四路低本底αβ測(cè)量?jī)x電路設(shè)計(jì)

　　比較矩陣

　　比較矩陣對(duì)經(jīng)過(guò)放大整形后的6路信號(hào)進(jìn)行比較，把模擬幅度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)，每路主探頭的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較后生成3路數(shù)字脈沖信號(hào)(分別對(duì)應(yīng)高、低β閾和α閾)，6路信號(hào)經(jīng)過(guò)比較矩陣后共生成14路數(shù)字脈沖信號(hào)(12路主信號(hào)和2路反符合信號(hào))。

　　設(shè)計(jì)的比較矩陣由14個(gè)比較器組成，如圖3所示。比較器選擇高速比較器LM211，該比較器輸出為OC輸出，因此可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，直接輸出到可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行反符合和計(jì)數(shù)，工作電壓±12V，輸出電壓+3.3V。各路比較器的比較參考電壓由數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路控制，數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇4路串行12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7554，工作電壓+5.5V，輸出電壓范圍0～5V，DAC7554通過(guò)SPI接口和MCU通信。

　　可編程邏輯器件CPLD

　　可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)反符合電路和計(jì)數(shù)電路，反符合電路對(duì)各路脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬窄不同的單穩(wěn)信號(hào)整形，把主探頭信號(hào)轉(zhuǎn)換成窄脈沖的主信號(hào)，把反符合探頭信號(hào)轉(zhuǎn)換成寬度為主信號(hào)兩倍的反符合信號(hào)，以便于對(duì)主信號(hào)的反符合，消除由于主信號(hào)放大通道和反符合信號(hào)放大通道時(shí)間常數(shù)的差異引起的信號(hào)輸出時(shí)間上的偏差，以實(shí)現(xiàn)反符合的準(zhǔn)確有效。計(jì)數(shù)電路用于各路信號(hào)的計(jì)數(shù)和鎖存，便于MCU讀取。具體如圖4所示。

　　可編程邏輯器件CPLD對(duì)比較矩陣的14路數(shù)字脈沖信號(hào)的進(jìn)行反符合處理和α/β閾處理，產(chǎn)生8路(分別對(duì)應(yīng)每路主探頭的αβ信號(hào))計(jì)數(shù)脈沖，再以8路計(jì)數(shù)脈沖作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，計(jì)數(shù)結(jié)果存放在8個(gè)寄存器(16位寬)中，MCU可以定時(shí)的讀取。另外可編程邏輯器件CPLD還實(shí)現(xiàn)比較矩陣每路比較閾值的設(shè)置和高壓模塊的高壓設(shè)置。CPLD采用Altera公司的MAXⅡ系列低功耗CPLD，型號(hào)為EPM570，144管腳封裝，具有570個(gè)邏輯單元^[4]。

　　微控制器MCU

　　MCU是儀器的控制中心，完成高壓參數(shù)和比較閾值參數(shù)的配置以及測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送，并接收主機(jī)送來(lái)的命令參數(shù)。

　　MCU采用最新的ARM CORTEX-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)，型號(hào)為STM32103VBT6，主頻為72MHz，128K字節(jié)FLASH，20K字節(jié)RAM，100管腳封裝。該系列具有功耗低，處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)^[5]。STM32的SPI1和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7554連接，采用軟件片選信號(hào);UART1實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的串口通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)BootLoader功能，用于程序下載;PortC和PortD與CPLD連接，PortC用作地址線，PortD用作數(shù)據(jù)線，設(shè)為開(kāi)漏輸出模式，在需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，輸出全置1，模擬實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線功能，這樣不需要在輸入輸出時(shí)進(jìn)行端口模式切換，提高了效率和可靠性。

　　單片機(jī)固件開(kāi)發(fā)采用嵌入式操作系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三個(gè)并行存在的任務(wù)層，按其優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列依次是：數(shù)據(jù)采集計(jì)算任務(wù)、串口通訊任務(wù)、狀態(tài)顯示任務(wù)等，嵌入式操作系統(tǒng)按優(yōu)先權(quán)的高低對(duì)各任務(wù)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。