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低能量、高密度的X射線輻射（見圖1）。我們設計了專用的X射線探測器的讀數ASIC，如DEDIX[1]、RG64[2]和SXDR64[3]，這些都是用于讀取硅條探測器，以及諸如PX90[4]的芯片（該芯片采用90納米CMOS技術構造，并用于讀取像素探測器（見圖2））。我們的芯片包含多達幾千個讀數通道，以單光子計數模式工作，這意味著如果某個撞擊探測器的光子的能量超過一定的閾值，讀數通道就可以對其計數。所有的芯片都包含模擬和數字部分，并具有數字通信接口，用于控制ASIC并輸出所采集的數據。每個接口可能有不同數量的針腳，可以與不同的數字I / O一起工作，速度高達200MHz。我們需要盡可能快地測試ASIC，得到結果并作進一步的處理。
創建虛擬儀器
我們對ASIC進行測試，以確保制作的芯片參數滿足要求。為此，我們需要與芯片進行通信，以比特流的形式采集數據，并將其轉換為有意義的表示方式。然后，我們需要測量物理參數（在此案例中，即測量給定時間內的光子數），并根據所獲取的數據計算ASIC模擬參數。我們需要以最佳的方式表示結果，從而盡可能地得到正確的結論。市場上沒有能夠滿足這種要求的現成設備，因此，我們決定使用NI 產品自己開發。
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機箱以及插在其中的模塊化設備構建的，模塊化設備包括：用于快速計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據信號傳輸的NI PXI-6562高速DIO模塊。我們還使用NI PXI-4071數字萬用表模塊以精確測量10分之幾nA范圍內的芯片偏置電流，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模塊來進行各種其它測量，并控制模擬輸出電壓。
我們選擇美國國家儀器公司的設備，是因為它們具有覆蓋廣泛、并易于使用的驅動，通過LabVIEW API，可以在高級的應用程序中很容易地使用它們。在測試過程中，我們需要為8個數字輸入線設置延遲（相對于輸出時鐘信號），使用LabVIEW 和 PXI-6562，只花費5分鐘便實現了該功能。
在與ASIC建立通信后，我們對數字比特流進行分析，這對于觀察和調試專用的數字波形數據非常有用。我們從LabVIEW函數選板中選擇了一些函數來適當地剪切、移動以及轉換比特流數據，并將其轉化為能夠代表X射線強度的表示方式。通過這些數據，我們可以計算ASIC參數，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學函數，如差分、擬合（高斯函數和專用誤差修正函數），以及對數組和其它基本數據類型的各種操作。LabVIEW提供了所有這些函數，所以我們可以快速地實現這些應用。
由于收集了大量的數據需要處理，所以設備的性能至關重要。例如， PX90芯片包含了一個32x40的陣列（共1,280像素），用于對射入的X-射線進行計數，該芯片需要對一個模擬參數（閾值掃描）進行測量，從而對所有的像素數據進行擬合。而如果想計算出芯片的校準參數，則需要將這一測試過程重復256次。這意味著我們需要重復30萬次以上的數據擬合過程，而這一過程所耗的時間又是非常關鍵。使用LabVIEW2010，程序員可以配置for循環以利用多核處理器的性能。借助這一特性，我們在一個8核處理器上將計算速度提高了七倍以上。
結論
我們構建了一個能夠可靠快速地測試產品的虛擬儀器。它采用了諸多種類的模塊化儀器，因此我們無需使用其它設備就可以完成必要的測試。我們的虛擬儀器構建在LabVIEW所編寫的專用軟件的基礎上，因此用戶可以設置適當的測試配置、ASIC參數，并讀取數據，然后在圖形化用戶界面上顯示分析后的結果。正是由于基于NI產品構建的這個系統方案，使得我們可以節省一年的測試時間。例如，日本Rigaku公司在高速、位置靈敏的探測器系統中采用了我們的一個產品[2]。隨著我們新的虛擬儀器的出現，用在測試設備中ASIC所花費的時間縮減至不到三個月。
參考文獻
[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.
