第２８卷第４期 ２０１０年ｏ７月 佳木斯大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｉｔｏｎ） ＶｏＩ．２８ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ ２０１０ 文章编号：１００８—１４ｏ２（２ＯｌＯ）Ｏ４－０５０９－０４ 虚拟仪器法设计伽玛能谱仪① 蔡思静 ，乐仁昌２，何志杰２ （１．福建工程学院电子信息与电气工程系．福建福州３５０１０８；２．福建师范大学物理与光电信息科技学院。福建福州３５０１０８） 摘要： 采用Ｌａｂｖｉｅｗ作为开发工具，利用虚拟仪器法研制了一套功能齐全的伽玛能谱仪系 统，实现多道脉冲幅度分析、谱分析的纯软件一体化．介绍了伽玛能谱仪系统软件的实现过程。讨 论了设计的关键技术，实现了仪器仪表设计的计算机化． 关键词：伽玛能谱仪；计算机化；多道分析器 中图分类号：ＴＨ８４２ 文献标识码：Ａ ６．８Ｖ，信号脉冲宽度ｌ～５ ｓ，能量分辨率≤ １２％．通用数据采集卡采用Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ 一０ 引 言 伽玛射线能谱测量是一种重要的核地球物理 方法，是解决地球科学、环境科学等有关问题的主 要手段之一．随着科技的不断发展，伽玛能谱仪的 公司的ＰＣＩ—ＤＡＳ４０２０／１２，该卡为四道ＰＣＩ总线插 卡，其模拟输入分辨率为１２ｂｉｍ，采样速率可达 ２０ＭＨｚ［４１．研究技术不断趋于成熟，其设计朝着多道便携式、 微机化、多功能的方向发展．先后出现了ＡＭＰＴＥＫ 计算机为普通台式计算机．组成伽玛能 谱仪的硬件都是通用组件，开发者不需进行硬件电 路设计． 公司生产的ＧＡＭＭＡ一８０００（５１２道）…、Ｔｅ￣ａｐｌｕｓ 公司生产的ＧＲ３２０（可选道数２５６／５１２）及北京核 仪器厂生产的ＢＨ１９３６Ａ（１０２４道）呤－３１．此类仪器 ２ 软件设计 ２．１ 设计方案概述 设计均采用：伽玛能谱探测器、专用多道脉冲幅度 分析器和计算机软件系统组成．因此，目前出现的 能谱仪产品均是采用核探测器加上独立的多道脉 冲幅度分析器，价格昂贵，缺乏灵活性和可扩充性． 虚拟仪器技术（ＶＩ）将计算机技术应用在仪器 领域，改变传统仪器的应用方式，实现测量信息远 程共享、综合分析、评估等功能．本文利用“软件就 本设计利用ＬａｂＶＩＥＷ平台强大的开发功能进 行前面板和测试功能程序设计．系统设计主要包含 数据流管理、采集控制、多道幅度分析和谱分析等 功能模块． 其工作过程可大致描述如下：通过数据采集模 块完成数据采集，利用采集控制模块对数据进行有 效地处理、传输及存储，然后将数据送入多道幅度 分析模块完成谱数据的计算机化，与此同时，调用 是仪器”的思想，结合软件工程设计原理完成虚拟 仪器开发．其特色是在伽玛能谱仪的开发过程中引 入了虚拟仪器技术，使开发出来的仪器不管是硬件 还是软件都具有开放性、模块化、可重复互换性的 特点． 实时显示模块将谱数据以图形的形式进行显示．系 统还提供了谱分析功能模块，根据用户的不同需要 完成对谱数据的各种性能处理． １ 硬件组成 能谱仪由伽玛能谱探头、通用数据采集卡和计 算机系统组成．伽玛能谱探测器采用通用ＮａＩ探 头：信号幅度Ｏ．Ｏ５—３．５Ｖ，输出信号幅度范围为０ ①２．２ 伽玛能谱仪面板设计 前面板设计采用符合Ｗｉｎｄｏｗｓ界面编制准则 的菜单编辑器实现，菜单功能主要通过Ｅｖｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ结构完成 引，为用户提供简洁、友好的 收稿日期：２０１０—０６—０３ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０５７５０２２）． 作者简介：蔡恩静（１９８３一），女。福建南平人，福建工程学院助教，硕士． ５１Ｏ 佳木斯大学学报（自然科学版） ２０１０年 编辑环境．前面板主要包括：菜单、谱线显示窗口、 采集控制、采集卡配置、含量信息显示等功能模块． ｆｒｒ ｝ ｎＩｌ＾Ｉ情． Ｊ 原始数据卜 『固 同ｌ ｌ ｌ嚣睦 ■ 。 １、数据采集 Ｉ ２ｉｌ 。 ■３、结果显示 ■■■■■■● 圈 ■匕 ｌ０一 Ｉｎｓｅｒｔ Ｑｕｅｕｅ Ｅｌｅｒｎｅｎ ＩｌＲｍｏ ｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ ● ｖｉＪｉ Ｌ羔： 门羔：ｆ￡｛ Ｊ 鏊 一＝一 ０ 匝 一Ｌ量 团圆 圃 团 囤…一 田 １７ａ＂ｔ…圃 图１采用Ｑｕｅｕｅ技术的多线程采集程序 ２．３ 关键技术分析 代码如图１所示： 程序中三个任务在独立的ｗｈｉｌｅ循环线程中 在以软件为核心的虚拟仪器系统中，软件不但 运行，程序开始时由Ｃｒｅａｔｅ Ｑｕｅｕｅ．ｖｉ创建了原始 要完成对采集卡的控制，还要承担数据处理、显示、 数据与分析数据两个队列，然后把采集到的数据由 响应用户指令等一系列任务，有时还要完成远程数 Ｉｎｓｅｒｔ Ｑｕｅｕｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ．ｖｉ插入到原始数据队列中。 据传输；因此，系统开销很大，对实时性要求很高。 在第二个ｗｈｉｌｅ中，由Ｒｅｍｏｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ，ｖｉ把 以数据采集控制模块为例，在采集模块中要进行数 数据移出队列进行数据处理．通过队列Ｑｕｅｕｅ起到 据采集控制的同时，还要进行数据处理和显示．在 了约束、补偿的缓存作用，制约了三个线程的数据 尽可能的提高运行效率的同时，还要避免各个进程 调用，使得三个独立的线程相互联系，避免了数据 之间的速度不匹配，如：当数据采集模块运行速度 遗漏或是重复分析的情况． 快于数据分析模块运行速度，就会使某些数据得不 到分析，反之，会使同一次采集到的数据进行多次 分析，数据显示和数据分析模块速度不匹配的话， 也会产生这种现象． 图２谱数据诿取对话框 图４谱数据实时显示源代码 为满足实时性要求，并保证数据的完整性，系 统设计了“Ｑｕｅｕｅ缓存多任务运行机制”：该机制采 ２．４功能模块设计 用先进先出（ＦＩＦＯ）的结构作为公共数据域，为各 ２．４．１ 数据流管理 个功能模块提供独立又相互制约的数据通道． 数据流操作与管理是测试系统软件开发的重 “Ｑｕｅｕｅ缓存多任务运行机制”利用队列缓存技术 要组成部分，根据能谱仪的实际需求，系统设计了 为三个进程提供数据缓存，进而制约了三个独立的 以下几种文件类型： 进程之间的调用，从而解决了速度匹配问题．具体 （１）谱数据文件（．ｓｐｅ）：文本文件类型，包含 第４期 蔡思静，等：虚拟仪器法设计伽玛能谱仪 ５１１ 数据：２０４８道谱数据、采集时间、总峰数、Ｕ＼Ｔｈ＼Ｋ 亮区．同时也可以直接打开已保存的加亮区文件． 含量．可在其他文本编辑器（如记事本）或电子表 （３）谱图文件（．ｊｐｇ）：保存为ｊｐｇ格式．用户 格（如ＥＸＣＥＬ）中打开．谱文件读取对话框如图２ 只要单击“文件管理”＿＋“谱图保存”菜单即可实现 所示． 保存．谱图保存源码如图３所示： （２）加亮区文件（．ｒｏｉ）：只包含０和１两种数 （４）配置文件（．ｃｏｎ＿ｉｆｇ）：把用户常用的配置保 值的数据，共２０４８个，其中道数值为‘０’表示该道 存起来，想用的时候可以直接调用，以免重复设置． 数据未选中，不属于加亮区；反之，值为‘１’．用户 格式为：日期与时间＋采样率＋外触发＋触发阈值 可通过键盘左右方向键进行左、右选择加亮某道， ＋采集时间＋谱数据存储地址＋连续采集．采用 加亮的某道数据以红色表示；可通过Ｄｅｌ键来逐道 ＬａｂＶＩＥＷ提供的Ｏｐｅｎ Ｃｏｎｆｉｇ Ｄａｔａ．ｖｉ、Ｗｒｉｔｅ Ｋｅｙ．ｖｉ 删除所选加区．选定加亮区后，可根据需要保存加 等可完成配置文件的写入与读取操作． 图５加亮区显示 ２．４．２ 多道脉冲幅度分析模块 ｛ｉｆ（ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ］＞ｂｕｆｆｅｍｕｍ［ｋ一１］＆＆ 系统通过数据采集模块将采样值读人内存缓 ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ］＞ｂｕｆｆｅｍｕｍ ｆｋ＋１］＆＆ 冲区，完成从采集卡到系统之间的数据传输．虚拟 ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ一１］＞ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ一２］＆＆ 多道脉冲幅度分析程序的功能就是针对内存缓冲 ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ＋１］＞ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ＋２］） 区的数据进行寻峰，找出脉冲幅度值，然后对每个 ｛ｔｅｍｐ＝ｂｕｆｅｍｕｍ［ｋ］；ｐｅａｋｄａｔａ［ｔｅｍｐ］＋ 脉冲幅度进行分析，在幅度大小相应的道址上作加 ＋；ｃｏｕｎｔ＋＋；｝｝｝ｒｅｔｕｒｎ ｃｏｕｎｔ；｝ １计数． 工丑ｂＶＩＥＷ库函数中提供了寻峰模块Ｐｅａｋ Ｄｅ． ｔｅｃｔｏｒ．ｖｉ，可直接对采样数据进行寻峰，得到峰位、 幅度及方差等信息．但由于其通用性，降低了它的 运行速度 】．为了提高性能，系统利用运行速度更 快的ｃ语言自定义了寻峰模块的动态链接库，具 体代码如下： ｄｅｔｅＳｐｅｃ（ｄｌｌｅｘｐｏｒｔ）ｌｏｎｇ ＰｅａｋＣｈｅｃｋ（ｕｎ— 图６寻峰求分辨率对话框 一ｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［］，ｌｏｎｇ ｓｉｚｅ， 该功能模块的设计中也需要考虑采样率与脉 冲幅度分析速率的匹配问题，即系统软件的寻峰及 ｕｎｓｉｎｇｅｄ ｌｏｎｇ ｐｅａｋｄａｔａ［］，ｕｎｓｉｎｇｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）｛ｌｏｎｇ ｋ，ｔｅｍｐ，ｃｏｕｎｔ＝０；ｆｏｒ（ｋ＝２；ｋ＜ 幅度提取运行速度与数据采集速度的匹配，避免脉 ｓｉｚｅ一２；ｋ＋＋）｛ｉｆ（ｂｕｆｆｅｒｎｕｍ［ｋ］＞ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ） 冲数据大量丢失．系统通过Ｑｕｅｕｅ缓存多任务运行 ５ｌ２ 佳木斯大学学报（自然科学版） 的位置． ２０１０年 机制完成速率的匹配问题．此外，模块增加了阈值 确定模块，保证只在脉冲幅度超过阈值时才产生触 （２）能识别弱峰，假峰出现的几率小． （３）不仅能计算峰位的整数道址，还能计算峰 发，以提高数据的有效性．综上，采用纯软件编制的 多道脉冲幅度分析器是高速、可靠的． ２．４．３ 数据实时显示模块 数据实时显示模块完成经过多道脉冲幅度分 析模块处理后的数据显示，以道址为横坐标，以计 位的精确值． 系统采用精密的寻峰方法：协方差法．选用 ＬａｂＶＩＥＷ系统中提供的Ｐｅａｋ Ｄｅｔｅｃｔ．ＶＩ，该子Ⅵ 使用了协方差法，能够较好地满足寻峰的要求．对 于不同的核谱数据，其峰的半高宽、峰顶高度均不 数为纵坐标，具体代码如图４所示： 波形显示功能使用Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｇｒａｐｈ控件实 现 】．界面如图５所示：在实时采集过程中，可以 通过键盘方向键的上下键实现纵坐标的放大和缩 小，以便根据需求查看相对应区间的详细情况．同 时可以用鼠标拖动光标或用键盘上的左右键移动 光标，来显示光标所在位置的道数和计数．此外，程 序中设置了加亮区的选择和删除功能，加亮区文件 的保存与读取功能．加亮区可以通过键盘上的左右 键（通过功能键Ｆ７切换，实现左右键功能的变换） 进行选择，并以红色区块显示，并可以通过Ｄｅｌ键 逐道删除所选的加亮区． ２．４．４谱分析模块 ２．４．４．１ 寻峰求分辨率 在寻峰求分辨率模块所要完成的主要任务就 是查找峰位以及计算峰高一半处以道址为单位的 宽度．能量分辨率是指对于某一给定的能量，探测 器能分辨的两个粒子能量之间的最小相对差值的 量度．能量分辨率可定义如公式（１）所示： ／２＝Ａｈ】／２／ｈｏ （１） 式中， 表示能量分辩率；＾。表示峰位所处的道 址；Ａｈ。 表示在峰位一半高处，所得的以道址为 单位的宽度．寻峰求分辨率对话框如图６所示． ２．４．４．２ 积分区间计数 积分区间计数的功能：计算用户输入的两个道 址之间的总计数．部分代码如下： ｆｌｏａｔＣ￣ｔｏｔａｌｐｅａｋ＝Ｏ；ｉｎｔｌ６ ｉ； ｉｆ（ｈｉｇｈｃｈａｎｎｅｌ＞２０４０）ｈｉｇｈｃｈａｎｎｅｌ＝２０４０； ｆ０ｒ（ｉ＝ｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ；ｉ＜＝ｈｉｇｈｃｈａｎｎｅｌ；ｉ＋＋）｛ｔｏ— ｔａｌｐｅａｋ＋＝Ｏｒｉｇｉｎａｌｐｅａｋｄａｔａ［ｉ］；｝ ２．４．４．３ 谱寻峰 寻峰是定位能谱中的全部有效峰．在谱数据中 精确地计算出各个峰的峰位是能谱分析中的关键 问题．谱分析对寻峰的基本要求是： （１）比较高的重峰分辨率，能确定距离近的峰 相同，给出近似的半高宽值，设置峰高阈值，对低于 峰高阈值的不进行寻峰．这样可以将噪声产生的杂 峰除去，仅找出需要的峰值．界定寻峰区域之后，就 可以寻峰并给出找到的峰的个数，每个峰的位置及 峰的高度． ３ 技术指标 为了保证仪器的工作正常，测量结果可靠，仪 器性能必须良好．为此，对仪器的主要性能进行了 相关测试，整机技术参数如下：脉冲采样速度： ２０ＭＨｚ，最小脉冲宽度：Ｏ．２５ ８，死时间 ０，１３７Ｃｓ 光电峰偏移≤±１％，稳定性：≥８ｈ． ４ 结束语 本文设计完全抛开硬件电路设计，后通过计算 机软件实现仪器功能，满足了电子技术从单一的电 子元件向集成化、智能化方向发展的趋势．纯软件 伽玛能谱仪的研制成功，不仅为伽玛能谱仪的研制 提供了新思路，而且为今后能谱仪功能扩展和性能 提高等方面的研究提供了新的研究平台． 参考文献： ［１］ 何志杰，虚拟伽玛能谱仪设计［Ｍ］，２００７． ［２］ｗｗｗ．ｔｅｒｒａｐｌｕｓ．ｃａ． ［３］删．ｂｎｉｆ．ｅｏｍ．ｏｎ． ［４］ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｃｏｒｐ．ＰＣＩ—ＤＡＳ４０２０／１２ Ｕｓｅｒ’８ Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］，２００２． ［５］ 陈金平，王生泽，吴文英，等．Ｉ．ａｂＶＩＥＷ的事件驱动功能在菜 单设计中的应用［Ｊ］．仪表技术，２ｏｏ５（ｏ１），ｌ３一ｌ４． ［６］ 刘传清，胡荣玉，等．虚拟仪器软面板设计技术［Ｊ］．襄樊学 院学报。２ｏｏ２，２３（５），１４一ｌ７． ［７］ 陈川，刘松秋，刘克新，等．在加速器质谱仪上测量１４Ｃ的虚 拟双参数多道分析器系统设计［Ｊ］。原子能科学技术，２Ｏ０２， ３６（３２），１８９—１９２． ［ｇ］ 曹会国，陈宏圣，等．基于ＬａｂＶＩＥＷ的波形发生与显示［Ｊ］． 临沂师范学院学报，２００５，２７（３）。２４—２６，２９． （下转５１６页） ５１６ 一佳木斯大学学报（自然科学版） ２０１０年 Ｂｅｌ（｛ ｝）］＝ｏ．９９９７３４ ＣＥＲ（｛ ｝）＝０．９９９７３４ 可以看出，经过时间融合后，目标为卫星的确定性 Ｏ ９ Ｏ ８ Ｏ ６ Ｏ ５ Ｏ ４ ０ ３ ｌ — 达到了判决门限． ０ １ＯＯ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ａ）空间融合结果 ｂ）时间融合结果 图２ 用 —Ｓ方法得到的目标为卫星的信度图 仍以ＣＥＲ（｛ ｝）＝０．９９作为融合决策的判 结合用于空中目标识别，通过仿真实验，表明将两 决门限．取ＢＰ神经网络的２００组输出结果进行决 策级的融合．先对每地三个传感器进行空间融合， 空间融合结果的图像如图３ａ），识别率为：９２． ５０％．然后对不同时刻的空间融合结果进行时间融 合，时间融合结果的图像如图３ｂ），识别率为：９８． ５０％．图中： 为目标为卫星的信度，虚线表示决 策门限． 由于利用了Ｄ—Ｓ证据理论方法对神经网络 中的每个输出进行融合，所以即使有某一网络的识 别结果不好，经过Ｄ－－ｓ方法的第二级和第三级融 合后仍然可以得到比较稳定、比较令人满意的结果． 种方法结合的识别系统大大提高了对于目标的识 别率，系统的稳定性也很好． 参考文献： ［１］ 徐晖．空间点目标红外和可见光特性及其应用研究［Ｄ］．长 沙：国防科技大学．１９９４． ［２］ 李宏，安玮，徐晖，等．多传感器数据融合实现卫星及其系 留诱饵的识别［Ｊ］．现代防御技术．１９９７，６：３１—３６． ［３］ 李宏，刘江涛，徐晖，等．主观Ｂａｙｅｓ方法与神经网络相结 合的多传感器数据融合空中点目标识别方法［Ｊ］．红外与 毫米波学报．１９９７，１６（６）：４４８—４５４． ４ 结论 本文将Ｄ—Ｓ推理方法和ＢＰ神经网络算法相 （上接５１２页） Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｇａｍｍａ－－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＩ ＣＡＩ Ｓｉ—ｊｔｎｇＩ．ＬＥ Ｒｅｎ—ｃｈａｎｇ２，ＨＥ Ｚｈｉ—ｊ （１．Ｆ．１ｅｃｔｒｏｎｌｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅ面喀Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＦｕｊｌａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｐｌａｙｓ－ ｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＦｕｊＪａｎ ＮｏｒｍＭ Ｕｎｉｖｅｒｓｌｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１０８，Ｃｈ！ｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ｏｂｊｅｃｔ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｍｍａ—ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｂａｓｏｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｌａｂｖｉｅｗ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＶＩ ｍｅｔｈｏｄ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎａｌｙｚｅｒ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｅ ｔｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｉｎ— ｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｍｍａ—ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｍａｙ ｂｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇａｍｍａ—ｒａｙ；ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ａｎａｌｙｚｅｒ
