diseño de un analizador multicanal con conformación y

DISEÑO DE UN ANALIZADOR MULTICANAL CON
CONFORMACIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL DE PULSOS
DESIGN OF A MULTICHANNEL ANALYZER WITH DIGITAL PULSE SHAPING AND
PROCESSING
Alberto Rodríguez Fernández1, Maikel Díaz Castro2, Doris Rivero Ramírez3
1 Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, Cuba, [email protected], Ave Salvador Allende, esquina Luaces,
Habana, Cuba, Código Postal 10400
2 Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, Cuba, [email protected]
3 Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, Cuba, [email protected]
RESUMEN: Un analizador multicanal (MCA) con procesamiento y conformación digital de pulsos fue diseñado.
Se utilizó un Arreglo de Compuertas Lógicas Programables (FPGA) funcionando a una frecuencia de 50MHz
para controlar todos los procesos. Para la conformación de los pulsos fue empleado un filtro trapezoidal con
respuesta de impulso finita (FIR), mejorando significativamente el rendimiento altas tasas de conteo, reduciendo
el apilonamiento y los cambios en la línea base. El sistema se comunica con una computadora mediante el
puerto serie con el objetivo de visualizar los datos y realizar los análisis de forma similar a un MCA convencional. Todas las funciones del MCA diseñado fueron comprobadas mediante la realización de múltiples simulaciones, obteniéndose en cada caso los resultados esperados.
Palabras Clave: Multicanal, MCA, FPGA, filtros digitales.
ABSTRACT: In the present work a Multichannel Analyzer (MCA) that employs digital pulse processing was
designed. A Field Programmable Gate Array (FPGA) working at 50MHz was used to control all the process. A
trapezoidal filter with Finite Impulse Response (FIR) was programmed and used for pulse shaping purposes.
The system communicates with a personal computer (PC) for data analysis and visualization, and the serial port
was used to implement this communication. All the functions of the designed MCA were tested with a simulated
signal and the results obtained were satisfactory.
KeyWords: Multichannel, MCA, FPGA, digital filters.
1. INTRODUCCIÓN
El origen de la física nuclear es asociado a menudo
al descubrimiento de la radioactividad en 1896 por
Becquerel. A partir de ese momento se han realizado múltiples esfuerzos para lograr entender las
propiedades de los núcleos y las estructuras responsables de las mismas. En especial el desarrollo
de los detectores y otros instrumentos ha permitido
medir la energía de las radiaciones y obtener así
abundante información acerca de su origen.
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Durante el siglo pasado las cadenas convencionales de medición utilizadas para análisis espectrométricos[1] incluían los siguientes elementos:
 Detector de radiaciones.
 Preamplificador.
 Amplificador lineal.
 ADC.
 Analizador multicanal (MCA).
 Computadora personal.
El analizador multicanal es el instrumento espectrométrico por excelencia. Este se encarga de procesar el pulso proveniente del detector y de conformar el espectro de altura de pulsos [1], el cual
nos brinda información sobre la naturaleza de la
radiación incidente.
En los últimos años sistemas con procesamiento
digital de señales han comenzado a reemplazar a
los sistemas convencionales analógicos para mejorar el rendimiento y obtener mayor flexibilidad. Es
posible digitalizar directamente la señal a la salida
del preamplificador [2] y posteriormente realizar el
filtrado y la conformación de los pulsos. Una cadena de medición para obtener el espectro de altura
de pulsos digitalizando la salida del preamplificador,
excluye la necesidad del uso de un amplificador
lineal y reduce la cantidad de componentes analógicos del sistema y por tanto disminuye la presencia
de ruido debido a estos.
En nuestro país tipo de instrumentación es escasa
y atendiendo a esto el Objetivo General del presente trabajo es diseñar un Analizador Multicanal con
conformación y procesamiento digital de pulsos.
Para darle cumplimiento a lo anterior nos trazamos
los siguientes objetivos específicos:



Programar en lenguaje VHDL un filtro de
conformación trapezoidal.
Programar las funciones básicas de un
MCA en lenguaje VHDL.
Implementar un sistema de prueba en una
FPGA para la adquisición del espectro de
altura de pulsos y su envío a la computadora.
2.1 Materiales
2.1.1
Para la construcción de un MCA que use el método
digital es necesario implementar de alguna forma
los filtros digitales que serán usados. Además se
requiere el diseño de un conjunto de estructuras o
módulos que realicen las tareas básicas comunes a
cualquier MCA como el manejo de memoria y la
comunicación con la computadora. Todo lo anterior
debe ser realizado de forma tal que se obtenga un
sistema flexible y que funcione a una velocidad que
mantenga el tiempo muerto lo más pequeño posible.
Con el objetivo de comprobar el funcionamiento de
los filtros digitales e implementar el núcleo de un
MCA que emplee el método digital utilizamos una
placa NEXYS2. Este kit de desarrollo está basado
en la FPGA Xilinx Spartan 3E XC3S500E e incluye
además:

Oscilador de 50MHz y capacidad para un
segundo oscilador.

Varios dispositivos de entrada y salida como botones, leds, switches, etc.

Puerto serie basado en un convertidor de
voltaje ST3232.

Memoria RAM externa M45W8MW16 organizada en 8Mbytes x 16bits.

Varios conectores de expansión para ampliar las funcionalidades.
Usando uno de los conectores de expansión fue
posible agregar un módulo ADC/DAC que contiene
un ADC MCP3201 y un DAC MCP4921. La utilización de un DAC permite generar valores que simulen el comportamiento de un preamplificador conectado a un detector. Estos valores son los que convierte el ADC y se envían a la FPGA para su procesamiento.
2.1.2

2. CONTENIDO
Para el diseño y la comprobación del analizador
multicanal propuesto se utilizaron los siguientes
materiales.
La NEXYS2
Ecuaciones para la conformación de
los pulsos.
Para realizar la conformación de los pulsos se emplearon las ecuaciones siguientes:
𝑠(𝑛) = 𝑠(𝑛 − 1) + 𝑝´(𝑛) + 𝑑 𝑘,𝑙 (𝑛)𝑀
𝑝´(𝑛) = 𝑝´(𝑛 − 1) + 𝑑 𝑘,𝑙 (𝑛)
𝑑
𝑘,𝑙 (𝑗)
(1)
(2)
= 𝑣(𝑗) − 𝑣(𝑗 − 𝑘) − 𝑣(𝑗 − 𝑙) + 𝑣(𝑗 − 𝑘 − 𝑙) (3)
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Estas ecuaciones [3],[4] definen un algoritmo recursivo que permite generar una forma trapezoidal
simétrica a partir del muestreo de una señal exponencial. En ellas s(n) representa la salida del filtro
mientras que los v(k) representan la señal inicial
muestreada “k” ciclos antes. El coeficiente M regula
la ganancia del filtro.
facilitar su análisis y visualización. Con el objetivo
de comprobar el correcto funcionamiento del MCA
diseñado en este trabajo se utilizó el software Acquisition System for MultiScaling Measurement[5]
para visualizar los espectros obtenidos.
2.1.3
Al concluir la programación de todos los módulos
del MCA se realizaron diferentes simulaciones con
el objetivo de comprobar el correcto funcionamiento
del sistema creado. Estas estuvieron encaminadas
a verificar las siguientes tareas:
Xilinx ISE Project Navigator
Todas las funciones básicas del MCA y los filtros
digitales fueron implementados en lenguaje VHDL
(Very high-speed integrated circuit Hardware Description Language). Las instrucciones en VHDL
describen el comportamiento de un circuito lógico
en lugar de escribir las tradicionales ecuaciones
lógicas booleanas. El proceso que se realiza para
convertir un diseño realizado en VHDL a instrucciones que puedan ser utilizadas directamente por el
hardware es llamado síntesis. En el presente trabajo se utilizó la suite de diseño ISE en su versión
13.4, en especial el Xilinx ISE Project Navigator
para el desarrollo y la síntesis de todos los programas.
2.1.4
Programa para la prueba de filtros
La conformación o filtrado digital de los pulsos es
un componente fundamental para el diseño del
MCA propuesto. Como consecuencia se hace necesario tener una herramienta que nos permita
conocer cómo va a responder un determinado filtro
cuando varía la señal de entrada o los parámetros
de conformación. En nuestro caso empleamos un
programa escrito en VHDL diseñado originalmente
para usarse en la XI ICFA School on Instrumentation in Elementary Particle Physics. El objetivo principal del mismo era implementar un filtro que cancelase las colas de los pulsos para evitar el apilonamiento. Los resultados de este proceso de filtrado así como los pulsos originales eran enviados a
la computadora vía USB y se utilizaba el software
Gnuplot para visualizarlos. Sustituyendo el filtro de
cancelación de colas por los filtros diseñados en
este trabajo fue posible verificar el correcto funcionamiento de los mismos.
2.1.5
Acquisition System for MultiScaling
Measurement
En un Analizador Multicanal la información referente a la cantidad de pulsos detectados con una
energía determinada es almacenada en una dirección específica de la memoria. Usualmente esta
información es enviada hacia la computadora para
2.2 Resultados y Discusión



Filtrado o conformación.
Comunicación.
Detección de los picos y aumento en los
canales.
 Tratamiento de los pulsos apilonados.
A continuación se muestran los resultados obtenidos.
2.2.1
Filtrado o conformación
Utilizando un DAC es posible generar señales que
tengan un comportamiento similar a aquellas provenientes de un preamplificador. De esta forma al
conectar la salida del DAC a la entrada del ADC
podemos elegir los tipos de pulsos que se procesarán y sus características. En las simulaciones realizadas se utilizaron siempre señales de paso de
voltaje variando la altura del pulso y los tiempos de
llegada. Para analizar si la etapa de conformación
funciona de la manera esperada se utilizó el programa mencionado en 2.1.4. En todas las gráficas
obtenidas con el gnuplot se utilizaron los siguientes
colores.

Rojo: valores utilizados por el DAC para la
conversión.
 Verde: valores convertidos por el ADC.
 Azul: valores obtenidos del filtro trapezoidal.
En la Figura 1 se observa el resultado de una conformación trapezoidal con parámetros k = 5 y l = 10.
Como se esperaba todas las cimas de los trapecios
coinciden en tamaño independientemente del tiempo transcurrido entre la llegada de un pulso y la
llegada del siguiente. Se observa un retraso de un
ciclo entre la llegada de un pulso y el comienzo de
los trapecios debido a que este es el tiempo necesario para filtrar cada uno de los valores.
Para obtener el valor real de la altura de cada uno
de los pulsos convertidos por el ADC y mostrados
en la Figura 1 en color verde, basta con restarle a la
altura de cada pulso la altura del anterior. Estos
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valores junto a las alturas de cada uno de los trapecios correspondientes se reflejan en la Tabla I. En
la tercera fila se muestra la división entre las alturas
de los pulsos trapezoidales y los pulsos de paso de
voltaje provenientes del ADC. De esta forma se
puede apreciar la proporcionalidad existente. Estos
valores son el resultado de promediar los distintos
valores de los puntos presentes en la cima del trapecio. Los valores de la tabla están referidos a números de canales.
Pulso 5
63
251
3.984
Pulso 6
111
444.7
4.006
Pulso 7
82
328.2
4.002
Pulso 8
32
128.2
4.006
Una vez conectada la tarjeta a la computadora se
ejecutó el software antes mencionado y se procedió
a la ejecución de los principales comandos. Se
estableció una configuración que permitió almacenar en cada posición de memoria el valor de su
propia dirección de memoria, logrando así generar
una rampa. La respuesta por parte de la FPGA fue
satisfactoria en todos los casos obteniéndose el
espectro esperado.
2.2.3
Figura 1. Conformación trapezoidal k = 5 y l = 10
Podemos concluir que el proceso de conformación
funciona correctamente y que es posible utilizar los
valores filtrados para comprobar los restantes elementos del sistema.
2.2.2
Comunicación
Para comprobar la comunicación entre el NEXYS2
y la computadora se empleó el programa Acquisition System for MultiScaling Measuremen antes
mencionado. En las comunicaciones se estableció
un baud rate igual a 57600 garantizando una velocidad de transmisión de los datos adecuada a nuestras necesidades.
Tabla I: Alturas de los pulsos convertidos por el ADC
y de los trapecios correspondientes.
Altura
(Pulsos
ADC)
Altura (Pulsos
trapezoidales)
Pulso 1
256
1023.5
3.998
Pulso 2
96
384
4.000
Pulso 3
63
251
3.984
Pulso 4
175
699.2
3.995
División
Detección de los picos y aumento en
los canales.
Después de comprobar el correcto funcionamiento
de los filtros y de la comunicación, fue posible analizar la etapa de detección de los picos. El aumento
en los canales se verificó al mismo tiempo, debido a
la relación entre ambos procesos.
En la Tabla I la altura de los trapecios se obtiene al
promediar los distintos valores de los puntos presentes en la cima. La parte entera de este valor
corresponde al canal en que se produce el aumento
cuando se detecta el pico. De esta manera, si al
generar las señales con el DAC utilizamos el mismo
fichero que el empleado cuando se obtuvieron los
datos de la tabla I, en el espectro de altura de pulsos deberíamos observar conteos en canales cercanos a los vistos en la mencionada tabla. Pueden
aparecer pequeñas variaciones debido al ruido
electrónico que se introduce en las etapas de conversión tanto del DAC como del ADC. Los valores
de cada uno de los canales obtenidos se muestran
en la Tabla II ordenados de forma que correspondan a los de la Tabla I.
Tabla II:Canales correspondientes a los pulsos de
la Tabla I.
No. del canal
Pulso 1
1024
Pulso 2
384
Pulso 3
252
Pulso 4
699
Pulso 5
252
Pulso 6
446
Pulso 7
329
Pulso 8
126
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2.2.4
Tratamiento de los pulsos apilonados.
Una vez comprobada de forma sencilla la detección
de los picos, podemos analizar los casos donde
exista apilonamiento. Para esta tarea modificamos
el fichero utilizado en el apartado anterior de forma
tal que aparecieran picos apilonados. La Figura 2
corresponde a una conformación con apilonamiento
detectable para los pulsos 3 y 4 observados de
izquierda a derecha. En la Figura 3 se muestran los
pulsos detectados en este caso. Como se puede
apreciar los pulsos apilonados correspondientes a
los canales 252 y 699 fueron detectados.
En la Figura 4 se observa una conformación con
apilonamiento no detectable para los pulsos 3 y 4
observados de izquierda a derecha. En la Figura 5
es posible verificar que no aparecen conteos en los
canales 252 y 699 correspondientes a los pulsos
apilonados.
Figura 4: Conformación con apilonamiento no detectable.
Figura 2: Conformación con apilonamiento detectable.
Figura 3: Espectro de altura de pulsos correspondiente a la señal de la Figura 2.
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Figura 5: Espectro de altura de pulsos correspondiente a la señal de la Figura 4
3
CONCLUSIONES
Al finalizar el presente trabajo podemos concluir
lo siguiente:



4
Un filtro de conformación trapezoidal fue
programado en lenguaje VHDL y se
comprobó su correcto funcionamiento.
Las funciones básicas de un MCA, incluyendo la detección de los picos, el
aumento en los canales y la comunicación; fueron programadas en lenguaje
VHDL y su correcto funcionamiento fue
comprobado.
Un sistema de prueba fue implementado
en la FPGA Spartan 3E y posteriormente se utilizó para la adquisición de un
espectro de altura de pulsos y el envío
de los datos hacia una computadora.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons, Inc, New York, 2000.
2. Herman P. Lima, Jr., Germano P. Guedes,
Ademarlaudo F. Barbosa, and Jose M. Seixas:
“AFast Multichannel-Analyzer for Radiation Detection Applications”. IEEE TRANSACTIONS ONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.
53, NO. 2. 2004.
3. Valentin T. Jordanov , Glenn F. Knoll: “Digi-
tal synthesis of pulse shapes in real time forhigh
resolution radiation spectroscopy”. Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA345:337345. 1994.
4. Valentin T. Jordanov, Glenn F. Knoll, Alan
C. Huber, John A. Pantazis:“Digital techniquesfor
real-time pulse shaping in radiation measurements”.
Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A353:261-264.1994.
5. Baños, U.:" Desarrollo de un Analizador Multicanal con Interfaz USB”, Tesis de licenciatura.
Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, La Habana, 2011.
5
SÍNTESIS CURRICULARES DE LOS AUTORES
Alberto Rodríguez Fernández. Graduado de
Licenciatura en Física Nuclear en el Instituto
Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas
(INSTEC) en 2014 con notas sobresalientes
(Diploma de oro). Ganador de medallas en los
concursos nacionales de física durante los años
de
preuniversitario. Durante sus años de estudiante en la mencionada
universidad participa en múltiples ocasiones en eventos nacionales
e internacionales de programación competitiva. En el año 2013
obtiene segundo lugar en el Fórum de Ciencia y Técnica a nivel de
base en la comisión de Física Nuclear Experimental. En septiembre
de 2014 se incorpora al departamento de Física Nuclear del
INSTEC donde todavía se mantiene trabajando. Actualmente
continúa participando en investigaciones relacionadas con la
Instrumentación Nuclear y la Electrónica Nuclear.
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Rodríguez, A.; Díaz, M.; Rivero, D. | “DISEÑO DE UN ANALIZADOR MULTICANAL CON CONFORMACIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL DE PULSOS”
Maikel Díaz Castro. Graduado de Licenciado en
Física Nuclear por el Instituto Superior de Ciencias y
Tecnologías Nucleares (2003). Completó la Maestría
en Física Nuclear en el Instituto Superior de
Tecnologías y Ciencias Aplicadas (2005) y el
Doctorado en Física en el Instituto de Física de la Universidad
Federal Fluminense, Brasil (2015). Actualmente es profesor
asistente del Departamento de Física Nuclear en el Instituto
Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas. Tiene experiencia
en el área de Física, con énfasis en Física Nuclear, actuando
principalmente en los siguientes temas: desarrollo de
instrumentación nuclear y espectrometría de masa con
aceleradores (AMS) y sus aplicaciones.
Doris Rivero Ramírez. Graduada de Ingeniería en
Técnica Electrónica y Master en Ciencia en
Ingeniería en 1984 en el Instituto Politécnico de
Lvov, Ucrania, antigua Unión Soviética, con notas
sobresalientes (Diploma Rojo). Es Profesora Auxiliar
del Departamento de Física Nuclear desde 2003. Ha
impartido las asignaturas de la Disciplina Electrónica de la carrera
de Física nuclear, así como en las asignaturas de Electrónica e
instrumentación Nuclear de las tres carreras nucleares, es miembro
de la comisión de carrera de Física Nuclear e Ingeniería en
Tecnologías Energéticas y Nucleares. Ha trabajado dirigido más de
10 estudiantes de la licenciatura en Física Nuclear y de Ingeniería
Física de la Facultad de Física de la Universidad de la Habana en
tesis de grado. Es miembro del claustro de la Maestría en Física
Nuclear. Ha participado en más de 55 eventos nacionales e
internacionales, ha publicado más de 40 trabajos en revistas y
memorias de eventos. Ha sido experta de los programas ramales
nucleares y/o no asociados a programas y actualmente del
programa de ciencia e innovación tecnológica relacionado con las
ciencias nucleares, ópticas y ultrasónicas. Ha obtenido 12 Premios
a resultados científicos del centro (ISCTN o InSTEC) 1 del INRE y 2
UH y 4 premios del Fórum de base, 3 del municipio plaza y 2 del
provincial.
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