挑战:
设计和测试针对物理学和生物学应用中的专用集成电路(application-specific integrated circuits, ASIC)。
解决方案:
使用NI LabVIEW软件和PXI硬件创建虚拟仪器，以尽可能快地测试ASIC
介绍
我们的物理解决方案能够检测低能量、高密度的X射线辐射(见图1)。我们设计了专用的X射线探测器的读数ASIC，如DEDIX[1]、RG64[2]和SXDR64[3]，这些都是用于读取硅条探测器，以及诸如PX90[4]的芯片(该芯片采用90纳米CMOS技术构造，并用于读取像素探测器(见图2))。我们的芯片包含多达几千个读数通道，以单光子计数模式工作，这意味着如果某个撞击探测器的光子的能量超过一定的阈值，读数通道就可以对其计数。所有的芯片都包含模拟和数字部分，并具有数字通信接口，用于控制ASIC并输出所采集的数据。每个接口可能有不同数量的针脚，可以与不同的数字I / O一起工作，速度高达200MHz。我们需要尽可能快地测试ASIC，得到结果并作进一步的处理。
创建虚拟仪器
我们对ASIC进行测试，以确保制作的芯片参数满足要求。为此，我们需要与芯片进行通信，以比特流的形式采集数据，并将其转换为有意义的表示方式。然后，我们需要测量物理参数(在此案例中，即测量给定时间内的光子数)，并根据所获取的数据计算ASIC模拟参数。我们需要以最佳的方式表示结果，从而尽可能地得到正确的结论。市场上没有能够满足这种要求的现成设备，因此，我们决定使用NI 产品自己开发。
我们的虚拟仪器(如图3中的图形用户界面所示)，是通过NI PXI机箱以及插在其中的模块化设备构建的，模块化设备包括：用于快速计算的具有双核处理器的NI PXIe-8106控制器，以及用于连接控制和数据信号传输的NI PXI-6562高速DIO模块。我们还使用NI PXI-4071数字万用表模块以精确测量10分之几nA范围内的芯片偏置电流，使用NI PXI-4110电源模块以快速精确地控制需要的电位，使用NI PXI-6259多功能DAQ模块来进行各种其它测量，并控制模拟输出电压。
我们选择美国国家仪器公司的设备，是因为它们具有覆盖广泛、并易于使用的驱动，通过LabVIEW API，可以在高级的应用程序中很容易地使用它们。在测试过程中，我们需要为8个数字输入线设置延迟(相对于输出时钟信号)，使用LabVIEW 和 PXI-6562，只花费5分钟便实现了该功能。
在与ASIC建立通信后，我们对数字比特流进行分析，这对于观察和调试专用的数字波形数据非常有用。我们从LabVIEW函数选板中选择了一些函数来适当地剪切、移动以及转换比特流数据，并将其转化为能够代表X射线强度的表示方式。通过这些数据，我们可以计算ASIC参数，如增益、噪声，以及通道或像素间的直流电平分布。我们还使用了许多数学函数，如差分、拟合(高斯函数和专用误差修正函数)，以及对数组和其它基本数据类型的各种操作。LabVIEW提供了所有这些函数，所以我们可以快速地实现这些应用。
由于收集了大量的数据需要处理，所以设备的性能至关重要。例如， PX90芯片包含了一个32x40的阵列(共1,280像素)，用于对射入的X-射线进行计数，该芯片需要对一个模拟参数(阈值扫描)进行测量，从而对所有的像素数据进行拟合。而如果想计算出芯片的校准参数，则需要将这一测试过程重复256次。这意味着我们需要重复30万次以上的数据拟合过程，而这一过程所耗的时间又是非常关键。使用LabVIEW2010，程序员可以配置for循环以利用多核处理器的性能。借助这一特性，我们在一个8核处理器上将计算速度提高了七倍以上。
结论
我们构建了一个能够可靠快速地测试产品的虚拟仪器。它采用了诸多种类的模块化仪器，因此我们无需使用其它设备就可以完成必要的测试。我们的虚拟仪器构建在LabVIEW所编写的专用软件的基础上，因此用户可以设置适当的测试配置、ASIC参数，并读取数据，然后在图形化用户界面上显示分析后的结果。正是由于基于NI产品构建的这个系统方案，使得我们可以节省一年的测试时间。例如，日本Rigaku公司在高速、位置灵敏的探测器系统中采用了我们的一个产品[2]。随着我们新的虚拟仪器的出现，用在测试设备中ASIC所花费的时间缩减至不到三个月。
参考文献
[1] P. Gryboś, P. Maj, L. Ramello, K. Świentek,: 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. SZCZYGIEŁ, P. GRYBOŚ, 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.
作者信息:
Piotr Maj
AGH University of Science and Technology
al. Mickiewicza 30
Kraków 30-059
波兰
