Author(s):
Piotr Maj - AGH University of Science and Technology
介紹
我們的物理解決方案能夠檢測(cè)低能量、高密度的X射線輻射（見圖1）。我們?cè)O(shè)計(jì)了專用的X射線探測(cè)器的讀數(shù)ASIC，如DEDIX[1]、RG64[2]和SXDR64[3]，這些都是用于讀取硅條探測(cè)器，以及諸如PX90[4]的芯片（該芯片采用90納米CMOS技術(shù)構(gòu)造，并用于讀取像素探測(cè)器（見圖2））。我們的芯片包含多達(dá)幾千個(gè)讀數(shù)通道，以單光子計(jì)數(shù)模式工作，這意味著如果某個(gè)撞擊探測(cè)器的光子的能量超過一定的閾值，讀數(shù)通道就可以對(duì)其計(jì)數(shù)。所有的芯片都包含模擬和數(shù)字部分，并具有數(shù)字通信接口，用于控制ASIC并輸出所采集的數(shù)據(jù)。每個(gè)接口可能有不同數(shù)量的針腳，可以與不同的數(shù)字I / O一起工作，速度高達(dá)200MHz。我們需要盡可能快地測(cè)試ASIC，得到結(jié)果并作進(jìn)一步的處理。
創(chuàng)建虛擬儀器
我們對(duì)ASIC進(jìn)行測(cè)試，以確保制作的芯片參數(shù)滿足要求。為此，我們需要與芯片進(jìn)行通信，以比特流的形式采集數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為有意義的表示方式。然后，我們需要測(cè)量物理參數(shù)（在此案例中，即測(cè)量給定時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)），并根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算ASIC模擬參數(shù)。我們需要以最佳的方式表示結(jié)果，從而盡可能地得到正確的結(jié)論。市場(chǎng)上沒有能夠滿足這種要求的現(xiàn)成設(shè)備，因此，我們決定使用NI 產(chǎn)品自己開發(fā)。
我們的虛擬儀器（如圖3中的圖形用戶界面所示），是通過NI PXI機(jī)箱以及插在其中的模塊化設(shè)備構(gòu)建的，模塊化設(shè)備包括：用于快速計(jì)算的具有雙核處理器的NI PXIe-8106控制器，以及用于連接控制和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)腘I PXI-6562高速DIO模塊。我們還使用NI PXI-4071數(shù)字萬(wàn)用表模塊以精確測(cè)量10分之幾nA范圍內(nèi)的芯片偏置電流，使用NI PXI-4110電源模塊以快速精確地控制需要的電位，使用NI PXI-6259多功能DAQ模塊來(lái)進(jìn)行各種其它測(cè)量，并控制模擬輸出電壓。
我們選擇美國(guó)國(guó)家儀器公司的設(shè)備，是因?yàn)樗鼈兙哂懈采w廣泛、并易于使用的驅(qū)動(dòng)，通過LabVIEW API，可以在高級(jí)的應(yīng)用程序中很容易地使用它們。在測(cè)試過程中，我們需要為8個(gè)數(shù)字輸入線設(shè)置延遲（相對(duì)于輸出時(shí)鐘信號(hào)），使用LabVIEW 和 PXI-6562，只花費(fèi)5分鐘便實(shí)現(xiàn)了該功能。
在與ASIC建立通信后，我們對(duì)數(shù)字比特流進(jìn)行分析，這對(duì)于觀察和調(diào)試專用的數(shù)字波形數(shù)據(jù)非常有用。我們從LabVIEW函數(shù)選板中選擇了一些函數(shù)來(lái)適當(dāng)?shù)丶羟小⒁苿?dòng)以及轉(zhuǎn)換比特流數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為能夠代表X射線強(qiáng)度的表示方式。通過這些數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算ASIC參數(shù)，如增益、噪聲，以及通道或像素間的直流電平分布。我們還使用了許多數(shù)學(xué)函數(shù)，如差分、擬合（高斯函數(shù)和專用誤差修正函數(shù)），以及對(duì)數(shù)組和其它基本數(shù)據(jù)類型的各種操作。LabVIEW提供了所有這些函數(shù)，所以我們可以快速地實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用。
由于收集了大量的數(shù)據(jù)需要處理，所以設(shè)備的性能至關(guān)重要。例如， PX90芯片包含了一個(gè)32x40的陣列（共1,280像素），用于對(duì)射入的X-射線進(jìn)行計(jì)數(shù)，該芯片需要對(duì)一個(gè)模擬參數(shù)（閾值掃描）進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)所有的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合。而如果想計(jì)算出芯片的校準(zhǔn)參數(shù)，則需要將這一測(cè)試過程重復(fù)256次。這意味著我們需要重復(fù)30萬(wàn)次以上的數(shù)據(jù)擬合過程，而這一過程所耗的時(shí)間又是非常關(guān)鍵。使用LabVIEW2010，程序員可以配置for循環(huán)以利用多核處理器的性能。借助這一特性，我們?cè)谝粋€(gè)8核處理器上將計(jì)算速度提高了七倍以上。
結(jié)論
我們構(gòu)建了一個(gè)能夠可靠快速地測(cè)試產(chǎn)品的虛擬儀器。它采用了諸多種類的模塊化儀器，因此我們無(wú)需使用其它設(shè)備就可以完成必要的測(cè)試。我們的虛擬儀器構(gòu)建在LabVIEW所編寫的專用軟件的基礎(chǔ)上，因此用戶可以設(shè)置適當(dāng)?shù)臏y(cè)試配置、ASIC參數(shù)，并讀取數(shù)據(jù)，然后在圖形化用戶界面上顯示分析后的結(jié)果。正是由于基于NI產(chǎn)品構(gòu)建的這個(gè)系統(tǒng)方案，使得我們可以節(jié)省一年的測(cè)試時(shí)間。例如，日本Rigaku公司在高速、位置靈敏的探測(cè)器系統(tǒng)中采用了我們的一個(gè)產(chǎn)品[2]。隨著我們新的虛擬儀器的出現(xiàn)，用在測(cè)試設(shè)備中ASIC所花費(fèi)的時(shí)間縮減至不到三個(gè)月。
參考文獻(xiàn)
[1] P. Grybo?, P. Maj, L. Ramello, K. ?wientek,: Measurements of Matching and High Rate Performance of Multichannel ASIC for Digital X-Ray Imaging Systems, IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. 54, August 2007, pp. 1207-1215
[2] R. SZCZYGIE?, P. GRYBO?, P. MAJ, A. Tsukiyama, K. Matsushita, T. Taguchi: RG64 – high count rate low noise multichannel ASIC with energy window selection and continuous readout mode, IEEE Transactions on Nuclear Science ; ISSN 0018-9499. — 2009 vol. 56 no. 2 s. 487–495
[3] M. Kachel, P. Grybos, R. Szczygiel „Low Noise 64-Channel ASIC for Si, GaAs and CdTe Strip Detectors” NSS-MIC 2009 Conference.
[4] R. Szczygiel, P. Grybos, P. Maj, "A Prototype Pixel Readout IC for High Count Rate X-ray Imaging Systems in 90 nm CMOS Technology", IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 57, no. 3, 2010, p. 1664-1674.
