现代矿业 总第５７９期 ２０１７年７月第７期 Ｍ０ＤＥＲＮ ＭＩＮＩＮＧ 数字 多道谱仪在旁线煤质分析仪中的应用术 张 伟 于海明 龚亚林 （丹东东方测控技术股份有限公司） 摘要旁线煤质分析仪应用数字＾ｙ多道谱仪，可保证其分析结果的精度和稳定性，提高性 能指标。分析了数字 多道谱仪作为旁线煤质分析仪中重要的信号采集处理技术的优势，介绍了 其工作原理，并根据分析仪进行数字＾ｙ多道谱仪的设计，如ＦＰＧＡ的选择与功能、文件系统、虚拟示 波器等。数字 多道谱仪的应用，对于改进旁线煤质分析仪的性能、更好地指导生产具有积极意 义。 关键词煤质分析数字 多道谱仪ＦＰＧＡ 旁线煤质分析仪适用多种输煤方式的煤质分 析，可作为确定煤质合同煤质指标的依据。根据分 析结果，可以指导后续煤质分类堆放和配煤，减小煤 质波动；检测数据传送至电厂燃料、运行、管理等相 关部门，可为其生产提供及时有效的数据。 １数字 多道谱仪优势 在旁线煤质分析仪的硬件系统中，多道谱仪是 计算机技术、高速电子技术、软件技术和算法技术等 旁线煤质分析仪是采用瞬发伽马射线中子活化 分析技术，利用中子源产生的中子流轰击物料中的 各元素原子核，原子核发生反应放射出２ ｋｅｖ～１０ Ｍｅｖ的 射线，通过探测器检测 射线的能谱，分析 得出元素含量。旁线煤质分析仪内置水分仪，可代 替传统化学分析方法对煤质进行快速分析，较跨带 式在线煤质分析仪精度更高。该分析仪需要从采样 系统获取煤样，每分钟给出一次检测结果，实时分析 主要煤质参数和工业指标，能有效监督和控制煤质， 具有分析时间短、分析精度高等优点。为保证旁线 煤质分析仪的精度和稳定性，在分析仪中应用国际 先进的数字 多道谱仪技术，对各个特征 射线的 能量和强度进行采集，进而计算煤中各元素的成分 和含量。 射线探测器 —＿叫前置放大器Ｈ多学科结合的综合技术产物。在核辐射检测仪表 中，利用物料反应放射出的射线的能量和强度可以 对元素进行定性和定量分析。为获取射线的能量和 强度分布，需要采用多道谱仪。近年来，基于高速 ＡＤＣ采样，使用脉冲成形技术的数字多道谱仪发展 迅速，数字 多道谱仪功耗低、计算速度快、集成度 高、故障率低、脉冲通过率高，使用的ＦＰＧＡ芯片可 完成探测器信号处理的大部分功能，得到更多的探 测器脉冲信息等。旁线煤质分析仪中应用的数字 多道谱仪是采用高集成度的ＦＰＧＡ为处理核心，在 ＦＰＧＡ系统中实现探测器信号采集控制、滤波、增益 调节、脉冲成形、脉冲幅度采集等功能，提高能谱仪 系统的可靠性和可调性，从而提高旁线煤质分析仪 系统的性能指标。 ２数字 多道谱仪原理 旁线煤质分析仪中数字＾ｙ多道谱仪的系统原 理见图１。 脉冲信号放大器Ｈ抗混叠滤波器Ｈ高速ＡＤＣ 垡 Ｈ堡里皇堕Ｈ垒 墨 — ｌ图１数字 多道谱仪的系统原理 垒竺堡 ｌ 数字 多道谱仪的＾ｙ射线探测器通常使用ＮａＩ 探测器，由晶体、光电倍增管、前置放大器和高压电 源组成。脉冲信号放大器和抗混叠滤波器由模拟电 路实现…。高速ＡＤＣ和ＦＰＧＡ集合在一块电路板 上，主要完成探测器信号的高速数字化采集、数字多 道谱仪的相关数字信号处理算法、多道逻辑、能谱采 辽宁省“百千万人才工程”资助项目（编号：辽百千万立项 ［２０１５］９号）。 张伟（１９８Ｏ～），男，教授级高级工程师，１１８０００辽宁省丹东市 滨江中路１３６号。 ７８ 张伟 于海明等：数字 多道谱仪在旁线煤质分析仪中的应用 ２０１７年７月第７期 集与存储和数据接口等功能。ＡＲＭ系统和接口电 路集中于另一块电路板，主要完成数字 多道谱仪 的初始化配置、系统状态检测、ｓＤ卡文件系统、远程 升级、能谱数据的采集与传输等功能。 数字 多道谱仪主要功能由ＦＰＧＡ实现，高速 ＡＤＣ转换时钟频率１６０ ＭＨｚ＿２］。探测器信号数字 化后进入ＦＰＧＡ中，首先进行噪声滤波计算，然后由 基线，则启动基线估计模块功能。计算跟踪基线值， 在判断脉冲幅度时扣除基线值。在ＦＰＧＡ中实现 ＦＩＦＯ用于缓存脉冲的幅度值和ＤＰＲＡＭ用于能谱 的缓存。由于使用ＦＩＦＯ和ＤＰＲＡＭ实现高速缓存 功能，在能谱数据传输的过程没有死时间。在ＦＰ— ＧＡ中实现了虚拟示波器功能，可以采集随机触发、 时间信息触发、饱和触发、和堆积触发的信号。通过 上位机软件采集观察这些信号，可以实现多数字多 多探测器脉冲进行数字成形，最后对脉冲进行幅度 判断，形成能谱数据。数字 多道谱仪不同于传统 道能谱仪工作参数的修改和工作状态的监控。接口 的模拟多道谱仪，处理过程中的信号无法用示波器 直接观测。为便于故障分析，在数字多道谱仪中设 计虚拟示波器功能，上位机软件发送内部信号采集 命令，数字多道谱仪收到命令后，将信号的波形数据 发送至上位机软件，由其对信号进行观察和参数计 算。能谱数据存储在ＦＰＧＡ中，由ＡＲＭ芯片读取并 发送到上位机软件中，在上位机软件中保存、查询、 计算能谱计数率和能量分辨率等。 ３数字 多道谱仪的设计 ３．１ ＦＰＧＡ的选择和功能 应用于旁线煤质分析仪时，数字 多道谱仪选 择Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩＩ ＦＰＧＡ芯片ＥＰ３Ｃ２５。该芯片采用台积 电（ＴＳＭＣ）的低功耗工艺技术，采用最新的６５ ｎｍ 技术，Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩＩ ＦＰＧＡ系列功耗在所有６５ ｎｍ ＦＰ－ ＧＡ中是最低的。ＥＰ３Ｃ２５具有２４ ６２４个逻辑单元， ６６个嵌入式１８ Ｘ １８乘法器，６６个Ｍ９Ｋ嵌人式存储 器模块，４个ＰＬＬ，内部时钟频率高达４０２ ＭＨｚ。数 字多道谱仪使用ＦＰＧＡ内部的Ｍ９Ｋ嵌入式存储器 模块设计，实现了能谱数据缓存的ＦＩＦＯ和ＤＰＲＡＭ； 使用内部的嵌入式１８×１８乘法器实现了成形算法， 这些特点使得数字＾ｙ多道能谱仪不需要外扩存储 器和ＤＳＰ芯片 。 数字 多道谱仪主要以ＦＰＧＡ芯片为功能核 心，ＦＰＧＡ处理器功能见图２。 脉冲采集Ｈ时钟同步卜Ｉ触发及基线估计ｆ ｆ能谱存储器 时钟倍频Ｈ 多道逻辑 Ｈ接口 虚拟示波 信号采 堆叠判断Ｉ Ｉ多道可调参数 图２ ＦＰＧＡ处理器的功能 ＦＰＧＡ使用ＰＬＬ对外部时钟倍频，产生不同频 率的时钟。高速ＡＤＣ在采集时钟的上升沿开始采 集，下降沿由ＦＰＧＡ读取数据。采集到的脉冲经过 滤波，进入逻辑产生模块，产生脉冲的时间信息逻 辑。在时间信息的触发下，没有脉冲信号时，认为是 模块采用数据总线完成与ＡＲＭ数据的传输、能谱 的读取、参数的读写等。多道逻辑模块实现数字多 道谱仪的核心算法和控制功能。 ３．２堆积的判断 在旁线煤质分析仪中，探测器输出的随机脉冲 信号存在堆积现象。为提高旁线煤质分析仪的分析 精度和重复性，数字 多道谱仪需要对探测器输出 的随机脉冲信号进行堆积判断，以提高能谱的能量 分辨率。对堆积的脉冲信号进行ＦＦＴ和逆Ｆ丌等 运算，计算出脉冲的时间信息。探测器脉冲信号见 图３，时间信息脉冲见图４。如果在脉冲的有效持续 时间内有２个以上信号，则脉冲堆积，应去掉。 Ｏ Ｏ ３．３文件系统 旁线煤质分析仪的数字 多道谱仪中ＡＲＭ系 统板需要存储配置参数和算法数据等，为便于数据 的读写和管理，ＡＲＭ板支持ＳＤ卡文件系统。该文 件系统采用简单易用的文件系统模块ＦａｔＦｓ，此模块 特别适合用于小型嵌入式系统中。ＦａｔＦｓ代码容量 小，最小可以配置使用１ ｋＢ的ＲＡＭ（下转第８２页） ７９ 总第５７９期 现代矿业 ２０１７年７月第７期 灰组合作为组合抑制剂，最终可获得铜金属回收率 ７５．６１％，铜精矿品位１６．３２％，铜精矿中砷含量 ０．４３％。 致选矿指标不理想。采用合理的药剂制度、控制入 选粒度，能够最大限度地回收硫化物，降低锡石在硫 化物中的损失，改善生产指标。 通过采用亚硫酸钠＋漂白粉＋石灰（用量６００ ＋６００＋１５００ ｇ／ｔ）组合抑制剂代替原石灰＋亚硫酸 ４生产实践 药剂制度改善后，２０１６年生产指标见表７。 表７ 选厂２０１６年铜精矿生产指标 ％ 钠抑制毒砂上浮、９０３０＋丁基黄药＋乙基黄药（用 量５０＋５０＋５０ ｇ／ｔ）代替原丁基黄药作为捕收剂改 善浮选药剂制度后，生产现场铜精矿品位和回收率 １季度０．４５９ ０．８５６ ９．９９ １５．６９ ０．３１０ ３８．０６ ７５．５８ 年平均值分别为１６．３２％、７５．６１％，相比改造前分 别提高了０．６１、４．５２个百分点，铜精矿砷含量从 ２季度３季度４季度０．５２２ ０．８８７ １０．１０ １６．６６ ０．３５１ ３８．３４ ７５．３６ ０．５６７ ０．８９７ １３．０３ １６．６２ ０．４８６ ３５．７３ ７５．６２ ０．６６９ ０．６０７ １０．５４ １６．３２ ０．４０５ ４３．２１ ７５．９０ 年平均值０．５５４ ０．８０９ １０．９２ １６．３２ ０．３８８ ３８．８４ ７５．６１ ０．９５％下降到０．４３％，下降了０．５２个百分点，大大 提升了选厂的经济效益。 参考文献 由表７对比表４可以看出，药剂制度改善后，选 厂生产现场铜精矿品位和回收率均有所提高，达到 了改造目标。 ［１］ 李启衡．破碎与磨矿［Ｍ］．北京： 台金工业出版社，２００５． ［２］ 沈天骥．浮游选矿．［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８０． ［３］ 邓禾淼，肖巧斌．某高砷铜矿选矿试验研究［Ｊ］．有色金属：选 矿部分，２０１０（６）：１３—１５． ５结论 云锡老厂某选矿厂原矿砷含量升高，入选粒度 较粗，且药剂制度不合理，毒砂得不到有效抑制，导 （上接第７９页）空间，而且其可配置性高、使用灵 活。ＦａｔＦｓ支持使用操作系统，不依赖硬件平台，只 需要修改文件读写接口就可以使用。 ３．４虚拟示波器 （收稿日期２０１７－０６－２２） ＡＲＭ请求 采集信号 二二工二 ＦＰＧＡ等待满足 触发条件的 信号到来 旁线煤质分析仪的探测器系统参数会随时间、 老化情况等变化，因此在数字 多道谱仪中应用虚 拟示波器功能模块，用于探测器信号的观测和系统 是ｌ ｌ 存储 参数的调节。数字＾ｙ多道能谱仪系统工作时，定时 使用虚拟示波器功能采集信号，计算和判断信号参 ｌ二二［ 脉冲数据 １通知ＡＲＭ 数，监控系统的工作状态。若信号异常，则进行系统 故障报警；若判断参数与出厂设置变化较大，则对出 厂参数进行自动修正。虚拟示波器功能的流程见图 ５。 ｌ 脉冲数据 ｌ 准备好 ＡＲＭ读取 脉冲数据并向 上位机发送 ４ 结语 数字 多道谱仪功耗低、计算速度快、集成度 高、故障率低、脉冲通过率高，ＦＰＧＡ芯片能得到更 图５虚拟示波器功能的流程 参考文献 ［１］ 梁卫平，胡颖睿，肖无云，等．数字化多道脉冲幅度分析器调理 电路设计［Ｊ］．核电子学与探测技术，２０１２（４）：４６２－４６５． ［２］ 张怀强，吴和喜，汤彬，等．基于ＦＰＧＡ的数字核信号处理系 多的探测器脉冲信息等。应用于旁线煤质分析仪 中，可提高旁线煤质分析仪系统的性能指标。通过 设计数字 多道谱仪，选择合适功能的ＦＰＧＡ，应用 虚拟示波器功能模块观测旁线煤质分析仪的探测器 统的研究［Ｊ］．核电子学与探测技术，２０１４（２）：２５４－２５６． ［３］ 于海明，张伟，陈月红，等．数字多道技术在ｘ荧光多元素分 析仪中的应用［Ｊ］．２０１３（１）：５５－５７． 信号和调节系统参数，避免探测器系统参数变化对 分析结果的影响。 ８２ （收稿日期２０１７－０７－０２）
