李 輝

（中核建中核燃料元件有限公司江南分公司質(zhì)量技術(shù)部，四川 宜賓644000）

0 引言

X射線用于元素分析，是一種新的分析技術(shù)，但在經(jīng)過(guò)二十多年的探索以后，現(xiàn)在已比較成熟，已廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、有色等各個(gè)領(lǐng)域。項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)車間產(chǎn)生大量含汞廢舊金屬背景進(jìn)行了調(diào)研和討論，確定了檢測(cè)儀器直讀、智能小型化、便攜式目標(biāo)，研制了Ux-920型含汞廢物XRF檢測(cè)儀器樣機(jī),為無(wú)害化處理結(jié)果提供檢測(cè)手段，最終確定無(wú)害化衡量標(biāo)準(zhǔn)。

1 手持式XRF儀器主要組成部分

XRF檢測(cè)儀器原理示意圖如圖1所示。X射線發(fā)生器產(chǎn)生的X熒光經(jīng)濾光器后照射試樣，試樣中汞原子的內(nèi)殼層（K、L或M殼層）電子被激發(fā)逐出原子而引起殼層電子躍遷，并發(fā)射出該元素的特征X射線（熒光），經(jīng)準(zhǔn)直器后，由探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，得到汞原子的特征X射線能譜，從而確定試樣汞的含量。

圖1 XRF檢測(cè)儀器原理示意圖

2 手持式XRF儀器控制板的電源控制電路設(shè)計(jì)

2.1 電源芯片具體信號(hào)分析

2.1.1 5V轉(zhuǎn)3.3V電源芯片選擇

本設(shè)計(jì)中，選擇的電源芯片是NCP1529，該芯片可以將5V的電壓轉(zhuǎn)成單片機(jī)工作所需要的3.3V電壓，最大輸出電流為1A，完全可以滿足單片機(jī)工作需求，同時(shí)，該芯片體積小，適合高度集成的電路板，有效節(jié)省PCB資源，而且該芯片為開(kāi)關(guān)電源，轉(zhuǎn)換效率很高，這樣就避免了線性電源發(fā)熱嚴(yán)重需要加裝散熱器的問(wèn)題。

2.1.2 隔離電源選擇

該系統(tǒng)中，由于用到了很多的模擬電路，同時(shí)要求探測(cè)器有很高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，所以最好的辦法就是數(shù)字電源和模擬電源分開(kāi)，數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，數(shù)字地和模擬地的分離可以選擇磁珠或者電感線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，但數(shù)字電源和模擬電源的分離就必須使用專門的隔離電源，這樣可以有效地減少數(shù)字電路部分和模擬電路部分之間的相互串?dāng)_，在本設(shè)計(jì)中，選擇的隔離電源是B0505S,用來(lái)將數(shù)字5V和模擬5V電源隔離開(kāi)，然后數(shù)字5V和模擬5V就可以分別產(chǎn)生電路工作所需要的數(shù)字3.3V和模擬3.3V電壓。

2.1.3 12V轉(zhuǎn)5V電源芯片選擇

由于電池輸出的是12V電壓，而很多元器件都需要的是5V的工作電壓，因此還需要一個(gè)將12V轉(zhuǎn)5V的芯片，在這里選擇的也是開(kāi)關(guān)電源LM2576,該電源理論轉(zhuǎn)換效率很高，而且很重要的一點(diǎn)就是它自身有一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，可以通過(guò)判斷該控制信號(hào)的高低電平來(lái)控制電源芯片是否工作，這樣就可以大大的節(jié)省能耗，延長(zhǎng)電池必要的工作時(shí)間以及使用壽命等。

2.2 電源控制電路設(shè)計(jì)基本思路

由于電池電量有限，為了盡可能地保證電池的利用效率，需要對(duì)電池電量的使用做一個(gè)很好地管控，當(dāng)系統(tǒng)某部分電路需要使用電池做電源驅(qū)動(dòng)的時(shí)候就啟動(dòng)電池與該部分電路對(duì)應(yīng)的接口，使能電壓控制，否則就切斷電路與電池的聯(lián)系，把功耗降到最低。

2.3 電源原理圖

2.3.1 USB供電端口

圖2 USB供電端口圖

USB供電端口見(jiàn)圖2，電壓從端口1出來(lái)以后，經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電感和500MA保險(xiǎn)絲，再通過(guò)二極管IN4001將電壓降低大概0.7V以后再連接到系統(tǒng)供電線路中。

2.3.2 電池供電端口

圖3 電池供電端口圖

電池供電端口見(jiàn)圖3，通過(guò)一個(gè)兩PIN的端子分別連接電池的正極和負(fù)極，通過(guò)2A的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的短路保護(hù)。

3 手持式XRF儀器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

THB6128驅(qū)動(dòng)電路原理見(jiàn)圖4，除了基本的上電配置電路以外，在這里使用了一個(gè)四路的光耦，用來(lái)匹配單片機(jī)控制信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓，由于STM32只能輸出3.3V電壓，而控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片工作需要5V的輸入電壓，通過(guò)光耦隔離可以輕易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

4 手持式XRF儀器核心處理器STM32電路設(shè)計(jì)

4.1 芯片說(shuō)明

該單片機(jī)自身內(nèi)部集成了多通道、高精度的AD,DA可以用來(lái)檢測(cè)外部輸入的模擬量以及輸出一定范圍的模擬電壓，同時(shí)該芯片有內(nèi)部集成的USB通信功能，可以和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)速度較快的USB傳輸，相對(duì)于串口而言，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蜏?zhǔn)確性。

4.2 電路原理圖

圖4 THB6128電路圖

STM32電路見(jiàn)圖5，該電路中，使用了一個(gè)REF2925來(lái)給單片機(jī)內(nèi)部的AD,DA等模擬量提供2.5V基準(zhǔn)電壓，也就是說(shuō)，所有AD/DA通道最大輸入/輸出為2.5V。

5 電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5.1 代碼創(chuàng)建與固件生成

軟件設(shè)計(jì)在基于MCU的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中占有重要位置。手持式XRF檢測(cè)儀的硬件代碼結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括三個(gè)部分，即應(yīng)用層，接口層和硬件抽象層。

5.2 電路實(shí)驗(yàn)與功能驗(yàn)證

圖6 代碼組織結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，電路主板能很好地實(shí)現(xiàn)既定的功能，其中，高壓電源的控制為本實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的部分，對(duì)其控制的精度及穩(wěn)定性直接影響高壓電源的使用壽命及儀器測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性。圖7為DA輸出的控制電壓與高壓電源輸出管壓與管流對(duì)應(yīng)的分布圖，可以看出符合設(shè)計(jì)要求的。

圖7 高壓電源控制與響應(yīng)分布圖

6 結(jié)論

手持式XRF儀器控制電路系統(tǒng)中以低功耗的32位芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)手持式XRF儀器的電源管理、高壓電源的管流管壓控制、溫度監(jiān)測(cè)、濾光片控制及其它數(shù)據(jù)采集與處理，使光管與控測(cè)器有效配合，從而實(shí)現(xiàn)了XRF儀器控制電路系統(tǒng)的智能小型化，也達(dá)到了XRF儀器便攜、高效、準(zhǔn)確直讀檢測(cè)車間產(chǎn)生的含汞廢舊金屬汞含量的目的。

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