ADI公司是世界领先的高性能信号处理集成电路制造商，是全球主要的可编程DSP芯片供应商之一。Blackfin DSP是目前ADI主推的旗舰DSP，由ADI公司和Intel公司共同开发，采用了MSA(Micro Signal Architecture)结构。这种体系结构将艺术级的dual-MAC DSP 引擎、简洁的RISC式微处理器指令集的优点以及单指令多数据(SIMD)多媒体能力结合起来，形成了一套独有的指令集体系。ADSP-BF537是Blackfin DSP系列产品中最新成员之一,它可以实现600 MHz的持续工作,峰值运算能力1 200 MACs,能满足本系统高速数据处理需求。ADSP-BF537芯片配置中：L1数据存储器包括2个32 KB SRAM的Bank，每个Bank均由2个16 KB SRAM组成,用于系统数据缓冲器;SPI口可用于程序加载;CAN2.0B接口用于系统的数据传输;支持DMA请求的PPI接口用于与A/D转换器的数据传输;其片内自带1～63倍的PLL用于设置系统时钟;内核电压可在0.8 V～1.2 V设置,用于控制功耗。可见DSP-BF537芯片配置十分强大、功能齐全，非常适合数据采集和过程控制场合,能充分满足本设计所需高速采样的需求，并留有一定余量。
　　A/D转换器采用AD9225，它是ADI公司生产的单电源供电、12位精度、时钟驱动、25 MS/s高速模数转换器，片内集成高性能的采样保持放大器和参考电压源。AD9225采用带有误差校正逻辑的四级差分流水结构，以保证在25 MS/s采样率下获得精确的12位数据。除了最后一级，每一级都有一个低分辨率的闪速A/D与一个残差放大器（MDAC）相连。该残差放大器用来放大重建DAC的输出和下一级闪速A/D的输入差，每一级的最后一位作为冗余位，以校验数字误差。AD9225采用单一的时钟信号来控制内部所有的转换，A/D采样在时钟的上升沿完成。在25 MS/s的转换速率下，采样时钟的占空比保持在45％～55％之间；如果转换速率降低，占空比也可以随之降低。它还具有并行外设接口（PPI），通过这个接口把数字化后的数字信息并行输出。
　　探测器输出的反映伽马射线能量大小的电脉冲，通过电容耦合进入前置放大器，经放大和跟随驱动后，送入AD9225高速A/D转换器对输入信号进行25 MHz的高速采样，然后通过DMA方式送到DSP内部缓冲区，缓冲区设置成双缓冲形式，当一个缓冲区填满后，DMA自动指向下一缓冲区，同时DSP对上一个缓冲区数据进行峰值检测。由于伽马脉冲采用电容耦合，电容的充放电就不可避免地要导致测量信号的基线发生漂移，因此在进行全波采集时要包括基线值采集，然后与脉冲采样值相减，得到实际的脉冲幅度。其实最合理的做法应采用基线恢复器，将采样的基线电压值再通过数模转换作为基线恢复器控制输入，以便在脉冲过后对电容进行快速放电，使电容两端电压差始终保持在零电平。特别是在脉冲频率高、信号幅度大的情况下，电容所充电荷难以在脉冲间隙时间内自然放电，使基线逐渐抬高，可能造成高幅度脉冲的丢失。温度等外界环境变化会对系统测量产生影响，其结果是导致测量的信号幅度下降，使测量不能得到正确的能谱，因此增加了高压控制功能，DSP将常温下某个标准特征能量窗口计数率的变化换算成调整电压量，通过D/A调节探测器光电倍增管高压大小，实质上是改变测量信号的输出幅度，也即系统的放大倍数，从而调节探头输出信号幅度，严格保证所测信号能谱稳定不变。为保证DSP的有效运行，增加了时钟电路、复位电路、程序加载电路等；为保证AD9225的有效采集，增加了减噪滤波、信号箝位以及电平转换等电路。
2 系统软件设计
　　系统软件实现功能包括：能谱数据采集及高压控制等。按照工作流程分为：系统初始化程序、能谱测量程序和稳谱控制程序等，具体程序流程如图2所示。

　　程序开始后首先进行初始化，包括：时钟频率初始化、存储器初始化、同步串口初始化、CAN初始化、PPI和DMA0初始化。初始化完成后，系统就进入了正常状态。通过不断查询DMA中断标志位判断当前A/D采样缓冲区是否已满，如果已满，则查询缓冲区标志位，判断是双缓冲区中的哪一个缓冲区满，然后将数据指针指向已满缓冲区。随后能谱测量程序对数据指针指向的缓冲区进行峰值检测，检测到脉冲峰值后，将峰值对应地址处的数据加1，然后程序又进行DMA中断判断，继续判断A/D采样缓冲区是否已满，如此周而复始完成能谱测量。
　　能谱测量程序的功能是检测A/D采样缓冲区的数据峰值，每检测到一个峰值，就将峰值对应地址的数据加1，随着时间的累积就得到了所测量的信号伽马射线能谱。具体程序流程图如图3所示。

　　能谱测量程序的核心是获取信号脉冲的峰值，并按照峰值大小寻址。变量Max保存当前比较的最大值，变量Inpeak表示当前点是否是处于脉冲信号内，1表示在，0表示不在。程序开始首先初始化变量，然后进入循环体，循环长度设为N次，N与缓冲区数据点数相同，循环长度主要取决于信号脉冲本身的频率大小以及系统能够提供的采样速率。进入循环体后，首先读取缓冲区的第一个数并赋给变量Input，由于A/D采样位数为12位，可形成1 024道能谱，但从系统要求和系统精度考虑，256道能谱就能满足使用要求，所以将Input右移4位，仅用高8位数据。随后Input与噪声门限作比较，如果小于门限，则判断上一个点是否处于该脉冲信号内，如果是则说明此时已经跳出脉冲，当前最大值Max即为信号峰值，如果上一个点不在脉冲信号内，则此时没有信号峰值。如果与门限比较的结果为高于门限，则将Inpeak置1，说明当前处于脉冲信号内，然后比较当前Input是否大于Max，如果大于，则将Max值用Input值替换，循环体末尾将地址指针递增，指向下一个数据。如此循环往复，就可准确地获得每一个信号脉冲的峰值，进而形成伽马射线能谱。
　　稳谱控制程序的核心是将被监测的伽马射线特征能量窗口计数率的变化，换算成系统控制电压的变化，通过调整光电倍增管高压进而调整系统的闭环增益，从而使系统处于稳定状态。采用四窗判别法，在特征能量窗两边各取两个窗口，计数率分别为N1、N2、N3、N4，在采集系统稳定时，它们之间应该符合如下关系：
　　

　　SF就是所谓的稳谱因子。实际上SF严格为零是不可能的，只能逼近于零。SF因子和系统增益能够建立清晰关系，当SF<0时，表明能谱往左漂移，系统增益减小，需要增加高压以增大增益，使能谱右移；当SF>0时，表明能谱往右漂移，系统增益增加，需要减少高压以降低增益，使能谱左移。程序首先计算SF值，如果SF>0.3，则采用比较大的高压调节步距，以便系统能比较快速地达到稳定状态；如果SF<0.3，则采用较小的高压调节步距，以便缓慢接近稳定状态，避免造成系统震荡而达不到稳定状态；SF<0.2时，采用更小的调节步距；而SF≤0.1时，则认为系统基本稳定，不再进行调整。SF取值范围越宽，取值点越多，则调整更精确、系统更稳定，但一个稳谱周期占用时间也越长，因此应进行整体考虑。
3 系统测试
　　对高速采样进行测试。在高速A/D端输入频率为10 kHz的正弦信号，A/D采样频率为25 MHz，采样4 000个点,即得到4 000个数据,对这4 000个数据进行软件恢复可得如图4所示波形。

　　从图4可以看出，正弦波一个周期点数为2 500个点，根据25 MHz的采样频率可以换算出信号频率为10 kHz，与信号一致，从而证实A/D的工作正常。
　　使用实际的自然伽马能谱探头进行测试，输出信号脉冲宽度为2μs左右，幅度在4V以内，信号干扰小于15mV。图5为采集时间为3 min的能谱，图中横坐标为能谱道数，纵坐标为对应的能谱值。与原有的电容取样的峰值测量多道分析器比较，能谱形状和幅度完全一致。但在模拟脉冲信号的测试中，当输入脉冲频率大于300 kHz时，电容取样的多道分析器已不能正常运转，而本系统在900kHz情况下还能准确采集能谱数据。

　　基于波形高速采样的能谱采集系统的实现，为核测井能谱测量提供了一种可供选择的技术与手段，并在实际的使用中取得了效果，表明系统采用的采集方法正确，电路与软件设计可靠合理，必将在核测井应用中发挥应有的作用。