黃麗佳，劉 龍 ，劉 洋 ，謝東岳，李福星，趙西元

（大連東軟信息學(xué)院 電 子工程系， 遼寧 大 連 1 16023）

隨著對(duì)天然輻射場(chǎng)中低能量γ譜學(xué)及其應(yīng)用的深入研究，γ能譜儀不僅在固體礦產(chǎn)勘探、油氣普查、水文和工程地質(zhì)調(diào)查等工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究方面，甚至在民用的環(huán)境輻射場(chǎng)調(diào)查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測(cè)方面，都得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)合的復(fù)雜多樣化對(duì)核輻射測(cè)量?jī)x器提出新的需求[1]。傳統(tǒng)的核輻射測(cè)量?jī)x器常采用探頭與主控儀器分離的方式，而且主控儀器通常采用32位ARM7處理器甚至8位單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集常采用速度較低的ADC芯片。硬件電路復(fù)雜、體積大、集成度低、功能單一。近年ARM公司Cortex-M系列ARM核的推出將微控制器的性能提高到一個(gè)嶄新的高度，同時(shí)功耗與成本大大降低。本文介紹一種主要基于最新Cortex-M3核的STM32微處理器，利用NaI探測(cè)器，融合無(wú)線通信，位置定位功能、具備大容量SD卡文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、USB傳輸接口的γ能譜儀設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本能譜儀是以意法半導(dǎo)體出品的STM32芯片為主控制器，搭配NAI探測(cè)器及外圍電路構(gòu)建的硬件平臺(tái)；以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCosII2.9.0為軟件平臺(tái)，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，應(yīng)用程序管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

電源部分采用鋰電池組供電，經(jīng)過(guò)電源管理模塊產(chǎn)生探頭所需高壓外，還需提供信號(hào)調(diào)理，控制回路所需工作電源；主控制器部分采集GPS模塊定位數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊時(shí)間數(shù)據(jù)，加入到輻射測(cè)量數(shù)據(jù)中作為數(shù)據(jù)標(biāo)志；同時(shí)將測(cè)量結(jié)果顯示在TFT液晶屏上，或者通過(guò)USB電路傳送至上位機(jī)；在主控制作用下，系統(tǒng)定時(shí)會(huì)將測(cè)量數(shù)據(jù)保存至SD卡，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以備回查[2]。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，主控制器回路，前置放大及脈沖成型電路、甄別電路及GPS電路是本能譜儀重點(diǎn)改進(jìn)之處。譜儀硬件組成如圖2所示。

2.1 主控制器STM32

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

為了充分發(fā)揮Cortex-M3核特點(diǎn)，降低能譜儀功耗的同時(shí)提升系統(tǒng)處理速度和其他性能，系統(tǒng)采用STM32系列32 Bit微控制器，芯片型號(hào)為STM32F103ZETT6[3]。該芯片工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，64K的SRAM和512K的Flash，具備豐富的增強(qiáng)IO端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。器件包含兩個(gè)12 bit的ADC，3個(gè)通用16 Bit定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C和SPI，5個(gè)USART，1個(gè)USB和CAN。工作電壓為常見(jiàn)的3.3 V。該芯片專門設(shè)計(jì)于集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格與一體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域需求。

2.2 前置放大及脈沖放大成形電路

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)工作靈敏的脈沖放大器要求，選用Ф75×75 mm NaI（Tl）探測(cè)器，能量分辨率一般可達(dá)到 8%（銫 137源）。探測(cè)器工作后經(jīng)光電倍增管產(chǎn)生的信號(hào)首先通過(guò)前置放大器和主放大器調(diào)理，用于對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的幅度放大和脈沖成形。前置放大器由高速、低漂移、寬頻帶集成運(yùn)算放大器AD844構(gòu)成的電壓跟隨器，主放大器包括極零相消電路、可調(diào)主放大器、有源積分濾波電路。主放大器由AD8066配套周圍電路組成如圖3所示。

圖3 主放大器電路Fig.3 Main amplifier circuit

圖4為積分濾波成形電路。前一級(jí)是二階有源積分濾波成形電路。隨后緊跟一級(jí)無(wú)源RC積分電路。核脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)積分濾波成形電路后，就可以得到頂部較圓，信噪比較高的高斯型波形信號(hào)，方便后續(xù)電路處理。

2.3 甄別電路

圖4 有源濾波電路Fig.4 Active filter circuit

脈沖整形后信號(hào)通過(guò)峰值檢測(cè)及相應(yīng)控制電路，然后送入主控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。為消除高能或低能噪聲對(duì)測(cè)量的干擾，對(duì)脈沖幅度需采用幅度甄別器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行甄別，只允許一定幅度的脈沖通過(guò)，供后繼電路采集。此部分電路采用LM339電壓比較器，其輸入阻抗高，開(kāi)環(huán)增益大，電壓上升速率快，恢復(fù)時(shí)間短，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 甄別電路Fig.5 Discriminator circuit

2.4 GPS電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路及SD卡存儲(chǔ)電路

傳統(tǒng)譜儀僅實(shí)現(xiàn)輻射強(qiáng)度實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)測(cè)量點(diǎn)具體位置及測(cè)量具體時(shí)間無(wú)法記錄，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以提供歷史數(shù)據(jù)回查功能。為了克服以上缺點(diǎn)，本能譜儀進(jìn)行了改進(jìn)。

為了實(shí)現(xiàn)輻射源實(shí)時(shí)位置的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)需要配置定位設(shè)備，由于輻射源的適用場(chǎng)合主要是室內(nèi)，而普通的GPS在室內(nèi)無(wú)信號(hào)，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需要，本系統(tǒng)選用GPS和CDMA移動(dòng)通信雙重定位技術(shù)的GPS-one模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射源的實(shí)時(shí)定位，GPS-one是美國(guó)高通公司開(kāi)發(fā)的基于CDMA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定位技術(shù)，采用Client/Server方式。他將無(wú)線輔助A-GPS和高級(jí)前向鏈路AFLT三角定位這兩種定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性和較高定位速度。在A-GPS定位技術(shù)無(wú)法使用的環(huán)境中，會(huì)自動(dòng)采用AFLT三角定位技術(shù)，從而確保定位的成功率和準(zhǔn)確度。本譜儀使用的GPS-one模塊具體型號(hào)為DTGS8-800。DTGS8-800模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，可通過(guò)TTL-RS232轉(zhuǎn)換器與STM32連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令驅(qū)動(dòng)模塊工作。

輻射強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)物理介質(zhì)為高密度SD卡，利用STM32內(nèi)部集成的SDIO接口擴(kuò)展的micro-SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路采用DS1337日歷芯片，利用STM32內(nèi)部集成的串行IIC總線接口與之連接[5]。上述設(shè)備連接方式簡(jiǎn)單，通信可靠，大大降低了系統(tǒng)尺寸，提高了穩(wěn)定性。

2.5 其他外圍電路

經(jīng)過(guò)外圍電路調(diào)理過(guò)的核輻射脈沖信號(hào)通過(guò)STM32內(nèi)置的高速ADC進(jìn)行測(cè)量，STM32F103ZET擁有兩個(gè)12bit的ADC，其VREF+，VREF-為基準(zhǔn)電壓輸入引腳?；鶞?zhǔn)電壓輸出電路采用REF3233，為系統(tǒng)提供精密3.3 V參考電壓，保障數(shù)據(jù)采集精確。

利用STM32內(nèi)置全速USB2.0接口，配合若干電阻電容，擴(kuò)展USB接口，作為上位PC機(jī)與譜儀通訊使用。上述部分具體連接電路在此不予贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)處理、LCD實(shí)時(shí)顯示、鍵盤掃描、SD卡數(shù)據(jù)讀寫、GPS位置定位數(shù)據(jù)處理、處理USB數(shù)據(jù)傳輸和消息處理一共7個(gè)任務(wù)[4]。由于核信號(hào)的隨機(jī)性和峰值信號(hào)的時(shí)間間隔不可預(yù)料性。輻射強(qiáng)度測(cè)量重要數(shù)據(jù)處理，采用DMA中斷方式，保證采集數(shù)據(jù)能夠快速得到處理。

各個(gè)任務(wù)利用uCosII提供的消息隊(duì)列機(jī)制循環(huán)處理上位機(jī)命令和鍵盤命令。消息任務(wù)中設(shè)置消息處理函數(shù)，根據(jù)命令不同，通知數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理數(shù)據(jù)，通知SD卡任務(wù)備份數(shù)據(jù)，以及將GPS加入至輻射測(cè)量數(shù)據(jù)等。鍵盤掃描任務(wù)進(jìn)行用戶指令的識(shí)別，將其發(fā)送到消息處理任務(wù)；LCD顯示任務(wù)完成輻射數(shù)據(jù)譜線及相關(guān)參數(shù)的顯示。

SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用開(kāi)源的FAT32文件系統(tǒng)包FATFS0.07C完成，SD卡數(shù)據(jù)任務(wù)運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行文件系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)體初始化，然后響應(yīng)按鍵指令后將測(cè)量數(shù)據(jù)采用定期或非定期寫入，以后后續(xù)使用進(jìn)行翻查[6]。USB數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)響應(yīng)上位機(jī)指令，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或從SD卡讀取歷史數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

在STM32[7]上電復(fù)位后，首先進(jìn)行設(shè)備自檢，硬件設(shè)備無(wú)誤后啟動(dòng)操作系統(tǒng)并創(chuàng)建任務(wù)，開(kāi)始運(yùn)行應(yīng)用程序。

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)地使用，實(shí)測(cè)137Cs放射源能譜很清楚看出137Cs發(fā)出的全能峰、康普頓峰和反射峰。其能量分辨率達(dá)到10%左右。

該系統(tǒng)其他技術(shù)參數(shù)為：γ射線能量分析范圍為20 keV～3.0 MeV，連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)符合放射性統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律，使用NAI探測(cè)器時(shí)，整機(jī)功耗為小于990 mW，實(shí)測(cè)USB最大傳輸速率為1 Mbps，在核輻射現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中有較好的應(yīng)用前景。

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