多通道SiPM数据采集系统、方法、SiPM型伽马射线探测器及复合型探测器系统

本发明涉及空间天文，尤其涉及一种多通道sipm数据采集系统、方法、sipm型伽马射线探测器及复合型探测器系统。

背景技术：

1、硅光电倍增管(sipm)因其体积紧凑、工作电压低等优势，在空间天文探测领域的应用逐渐增加。

2、目前，sipm与闪烁体条阵列组成的二维灵敏探测器可用于中高能伽马射线的偏振测量及编码板的成像等场景，搭载小卫星的伽马射线sipm阵列探测器均为多路信号并联后单路读出的数据采集方式。

3、然而，上述数据采集方式损失了sipm阵列的位置信息，sipm阵列探测器缺乏位置灵敏性，并且sipm数据采集系统中的放大器增益由固定阻值的电阻决定，在卫星运行过程中不能根据需求进行调整。

技术实现思路

1、本发明提供一种多通道sipm数据采集系统、方法及复合型探测器系统，用以解决现有技术中sipm数据采集系统采用多路信号并联后单路读出的数据采集方式，导致的缺乏位置灵敏性，以及sipm数据采集系统中的放大器增益不能根据需求进行调整从而导致的系统调试效率降低的缺陷，实现对sipm阵列多通道信号的读出，充分发挥sipm阵列位置灵敏的优势，提高探测器的调试效率。

2、本发明提供一种多通道sipm数据采集系统，应用于空间天文探测器，所述多通道sipm数据采集系统包括多通道sipm信号输入端、sipm信号输出端、asic芯片、fpga控制板、后端放大器、模数转换器及上位机；

3、所述asic芯片包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端与所述fpga控制板连接，所述第二输出端与所述后端放大器连接；所述asic芯片用于将所述多通道sipm信号输入端输入的多通道sipm信号进行数模转换后，进行放大成型，将放大成型后的sipm信号与预设的触发判选条件进行比对，在放大成型后的sipm信号满足所述触发判选条件的情况下，向所述fpga控制板发送第一触发信号；

4、所述fpga控制板包括参数配置端、第三输出端和第四输出端，所述参数配置端和所述第三输出端分别与所述asic芯片连接，所述第四输出端与所述模数转换器连接；所述fpga控制板用于对所述asic芯片发送参数配置信号，通过所述参数配置信号控制对所述asic芯片的待配置参数进行配置；及在接收到所述asic芯片发送的第一触发信号的情况下，输出第一控制信号和第二控制信号，通过所述第一控制信号控制所述asic芯片将放大成型后的sipm信号串行输出给所述后端放大器；及通过所述第二控制信号控制所述模数转换器串行读取所述后端放大器输出的所述sipm信号的信号脉冲幅度；

5、所述后端放大器用于对串行输出的多通道sipm信号进行处理，以使所述多通道sipm信号的信号脉冲幅度在所述模数转换器的信号脉冲幅度范围内；

6、所述模数转换器用于在所述第二控制信号的控制下串行读取所述sipm信号的信号脉冲幅度，并将所述多通道sipm信号的信号脉冲幅度输出至所述fpga控制板进行缓存；

7、所述上位机与所述fpga控制板连接，所述上位机用于存储所述fpga控制板缓存输出的所述多通道sipm信号的信号脉冲幅度。

8、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述上位机还与所述asic芯片连接，所述上位机还用于向所述asic芯片发送串口指令，所述串口指令用于控制所述asic芯片根据所述参数配置信号对待配置参数进行配置，其中，所述待配置参数包括各通道sipm信号的增益、成型时间、信号触发逻辑、阈值及sipm偏置电压。

9、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述asic芯片包括8位dac、前端放大器、慢成型放大器、快成型放大器、峰值检测与保持模块、信号甄别器；

10、所述参数配置信号为20μs时钟周期信号，所述第一控制信号为20ns时钟周期信号；

11、所述asic芯片用于将所述sipm信号输入端输入的sipm信号进行数模转换后，进行放大成型，将放大成型后的sipm信号与预设的触发判选条件进行比对，在放大成型后的sipm信号满足所述触发判选条件的情况下，向所述fpga控制板发送第一触发信号的步骤，具体包括：所述asic芯片接收到所述sipm信号，通过所述8位dac对所述sipm信号进行数模转换，并通过所述前端放大器对数模转换后的所述sipm信号进行放大成型；放大成型后的sipm信号分两路分别扇出到所述慢成型放大器和所述快成型放大器中进行二次放大输出，所述快成型放大器的输出连接到所述信号甄别器；所述信号甄别器的信号比较阈值由指令可调的dac提供；各所述sipm信号通过所述信号甄别器输出后，在所述asic芯片内部进行“或”逻辑处理后输出所述第一触发信号；所述慢成型放大器的输出连接到所述峰值检测与保持模块，所述fpga在接收到所述第一触发信号时，控制所述峰值检测与保持模块将经所述慢成型放大器二次放大输出的多通道sipm信号进行锁存，并在所述第一控制信号的控制下将锁存的多通道sipm信号串行输出给所述模数转换器。

12、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述asic芯片还包括寄存器，所述寄存器用于存储待配置参数的配置结果。

13、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述第一控制信号为lvcmos与lvds电平。

14、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述fpga控制板通过串口通信将所述多通道sipm信号的信号脉冲幅度输出给所述上位机。

15、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述放大成型后的sipm信号满足所述触发判选条件，具体包括：

16、任一通道中的放大成型后的sipm信号大于设定阈值。

17、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述上位机还用于对预选通道的sipm信号的信号脉冲幅度分布图进行实时显示。

18、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述fpga控制板还包括第五输出端，所述第五输出端与外部控制从机连接，所述fpga控制板还用于向外部控制从机发送触发判选信号，并在接收到所述外部控制从机的第二触发信号后，控制对所述多通道sipm信号输入端输入的多通道sipm信号进行采集；其中，所述外部控制从机用于对所述触发判选信号进行判断，并在判断成功后，向所述fpga控制板分发第二触发信号，所述第二触发信号为i2c同步触发信号。

19、根据本发明提供的多通道sipm数据采集系统，所述上位机还与所述外部控制从机连接，所述上位机还用于接收所述外部控制从机发送的tcp同步启停信号，并在所述tcp同步启停信号的控制下对采集的多通道sipm信号进行保存。

20、本发明还提供了一种sipm型伽马射线探测器，包括：如上所述的多通道sipm数据采集系统。

21、本发明还提供了一种复合型探测器系统，包括：控制从机和至少两个如上所述的sipm型伽马射线探测器，每个所述sipm型伽马射线探测器均与所述控制从机连接。

22、本发明还提供了一种多通道sipm数据采集方法，所述方法通过如上任一项所述的多通道sipm数据采集系统实现，所述多通道sipm数据采集系统包括多通道sipm信号输入端、sipm信号输出端、asic芯片、fpga控制板、后端放大器、模数转换器及上位机；

23、所述方法包括：

24、通过所述fpga控制板加载所述asic芯片的第一配置参数，并向所述asic芯片发送参数配置信号，在所述参数配置信号的控制下将所述第一配置参数写入所述asic芯片，其中，所述第一配置参数为所述asic芯片的初始工作参数；

25、判断所述asic芯片是否接收到上位机发送的串口指令，在接收到所述串口指令的情况下，对所述串口指令进行解析，得到所述asic芯片的第二配置参数，通过所述参数配置信号将所述asic芯片更新为第二配置参数；在未接收到所述串口指令的情况下，检测所述asic芯片是否产生了第一触发信号；其中，所述串口指令包括所述asic芯片的数据采集模式，所述采集模块包括自触发工作模式和外部触发工作模式；

26、在所述asic芯片产生第一触发信号的情况下，判断所述asic芯片的数据采集模式为自触发工作模式或外部触发工作模式；

27、所述asic芯片的数据采集模式为自触发工作模式，所述fpga控制板在所述第一触发信号的作用下，输出第一控制信号；在所述第一控制信号的控制下，通过所述asic芯片对放大成型后的sipm信号进行峰值保持，并串行输出至后端放大器；通过所述后端放大器对各通道sipm信号进行后端处理后，输出至模数转换器；通过所述模数转换器读取各通道sipm信号的信号脉冲幅度，并各通道sipm信号的信号脉冲幅度输出至所述fpga控制板进行缓存；通过所述fpga控制板的串口通信模式，将缓存的各通道sipm信号的信号脉冲幅度输出至上位机进行保存；

28、所述asic芯片的数据采集模式为外部触发工作模式，判断所述asic芯片在预设时间窗内是否接收到外部控制从机发送的第二触发信号，其中，所述第二触发信号为i2c触发信号；在接收到所述第二触发信号的情况下，通过所述asic芯片对放大成型后的sipm信号进行峰值保持，并串行输出至后端放大器；通过所述后端放大器对各通道sipm信号进行后端处理后，输出至模数转换器；通过所述模数转换器读取各通道sipm信号的信号脉冲幅度，并将各通道sipm信号的信号脉冲幅度输出至所述fpga控制板进行缓存；通过所述fpga控制板的串口通信模式，将缓存的各通道sipm信号的信号脉冲幅度输出至上位机进行保存。

29、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述多通道sipm数据采集方法。

30、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述多通道sipm数据采集方法。

31、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述多通道sipm数据采集方法。

32、本发明提供的多通道sipm数据采集系统、方法、sipm型伽马射线探测器及复合型探测器系统，通过asic芯片将放大成型后的sipm信号与预设的触发判选条件进行比对，在放大成型后的sipm信号满足触发判选条件的情况下，向fpga控制板发送第一触发信号；通过fpga控制板对asic芯片发送参数配置信号，通过参数配置信号控制对所述asic芯片的待配置参数进行配置；及在接收到asic芯片发送的第一触发信号的情况下，输出第一控制信号和第二控制信号，通过第一控制信号控制asic芯片将放大成型后的sipm信号串行输出给后端放大器；通过后端放大器对串行输出的多通道sipm信号进行处理，以使多通道sipm信号的信号脉冲幅度在模数转换器的信号脉冲幅度范围内；通过第二控制信号控制模数转换器串行读取所述后端放大器输出的所述sipm信号的信号脉冲幅度，并将多通道sipm信号的信号脉冲幅度输出至fpga控制板进行缓存；通过上位机对fpga控制板缓存输出的多通道sipm信号的信号脉冲幅度进行存储。本发明使用asic技术对用于空间天文的sipm阵列读出系统进行改进，将单通道信号读出的数据采集系统改进为多通道sipm数据采集系统，该多通道sipm数据采集系统具备高度集成化，可通过发送指令调整asic芯片的工作参数，提高了探测器研发过程中的调试效率，使得sipm阵列单元分别读出，充分发挥了sipm阵列位置灵敏的优势，并有效减少并联读出所产生的信号饱和问题，实现大的信号动态范围，从而解决卫星载荷的空间与功耗问题。