陳 峰 夏曉彬 張志宏 蔡 軍 陳明明 涂傳火

放射性α氣溶膠監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

陳 峰1,2夏曉彬1張志宏1,2蔡 軍1陳明明1涂傳火1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

在核設(shè)施的工作場所中要求對放射性α氣溶膠進(jìn)行快速、連續(xù)的監(jiān)測，以保護(hù)工作人員的輻射安全。針對放射性α氣溶膠的監(jiān)測需求，介紹一種放射性α氣溶膠監(jiān)測儀多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)為控制核心，完成對A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)通信等模塊的控制。將采集的數(shù)據(jù)放入到存儲器中，實(shí)現(xiàn)了對探測系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓脈沖信號的連續(xù)采樣，并進(jìn)行模擬仿真和采樣實(shí)驗的驗證。實(shí)驗結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時、快速、高精度地完成對信號幅度的獲取，滿足了放射性α氣溶膠監(jiān)測儀的要求。

α氣溶膠，現(xiàn)場可編程門陣列，數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，高精度

在反應(yīng)堆等核設(shè)施的工作場所中，由長壽命的α放射性核素及其衰變子體所形成的放射性氣溶膠是造成工作人員內(nèi)照射的主要來源，嚴(yán)重威脅人員的職業(yè)健康安全。因此，對核設(shè)施工作場所進(jìn)行放射性α氣溶膠的快速、實(shí)時監(jiān)測，可以有效地監(jiān)控工作場所的放射性污染程度，保護(hù)工作人員的輻射安全。

放射性α氣溶膠監(jiān)測儀主要由采樣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成[1]，其中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠獲取測量系統(tǒng)中探測器所產(chǎn)生的電子學(xué)信號，是放射性α氣溶膠監(jiān)測儀的一個重要組成部分，對整個監(jiān)測儀功能的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。

目前常用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是以單片機(jī)或者數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)為控制器，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)、存儲器和其他外圍電路的工作。

其中，以單片機(jī)為控制核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求對采集到的信號進(jìn)行高精度A/D轉(zhuǎn)換處理。但是由于單片機(jī)自身工作頻率較低和實(shí)行的指令周期較長，從而影響數(shù)據(jù)處理的速度，并且隨著程序量的增加，很難滿足數(shù)據(jù)采集的快速和實(shí)時性要求。

而以DSP為控制核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較快的運(yùn)算速度而且擅長處理密集的乘加運(yùn)算，在數(shù)字信號處理方面運(yùn)用廣泛。但是DSP器件的管腳配置不夠靈活，很難完成對外圍復(fù)雜器件進(jìn)行的邏輯控制，其開發(fā)成本也相對較高[2]。

相對于單片機(jī)和DSP而言，現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)具有時鐘頻率高、內(nèi)部延時小、擴(kuò)展方便、I/O資源豐富等優(yōu)點(diǎn)[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)電子學(xué)信號的高速數(shù)據(jù)采集與處理。

本文以FPGA為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，采用“FPGA+ADC+SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)”的實(shí)現(xiàn)方案，并采用RS485通信協(xié)議，設(shè)計放射性α氣溶膠監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對探測信號的高精度、實(shí)時性采集與處理，同時保證數(shù)據(jù)采集具有長期穩(wěn)定性、較高的可靠性和較快的響應(yīng)速度。

1 設(shè)計要求

根據(jù)放射性α氣溶膠監(jiān)測儀的設(shè)計，放射性α氣溶膠的測量選用有效面積900 mm2的離子注入型鈍化平面硅(Passivated Implanted Planar Silicon, PIPS)探測器。探測器的耗盡層厚度不小于250 μm，對能量為3?8 MeV的α粒子的本底計數(shù)率為0.05count·h?1·cm?2，匹配高壓模塊和電荷靈敏前置放大器，進(jìn)而組成放射性α氣溶膠測量系統(tǒng)，其輸出電壓脈沖幅度極值120 mV，上升沿小于2 μs，因此放射性α氣溶膠監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿足以下功能要求：

(1) 信號采集與處理：能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確采集探測系統(tǒng)的輸出電壓脈沖信號幅值，并能將采集到信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理；

(2) 數(shù)據(jù)儲存：對處理之后的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行長時間存儲，確保儲存的數(shù)據(jù)不能丟失；

(3) 數(shù)據(jù)傳輸：快速、及時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行終端顯示。

2 系統(tǒng)組成

放射性α氣溶膠監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由FPGA控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成。其中，F(xiàn)PGA是系統(tǒng)的控制邏輯，控制ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存后送到大容量SDRAM中存儲，A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將采集到的采樣模擬信號經(jīng)量化和編碼后轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的數(shù)字信號并輸出，數(shù)據(jù)存儲器對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和讀取。數(shù)據(jù)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)存儲在上位機(jī)文件中，便于數(shù)據(jù)的查詢與分析。

各模塊與FPGA芯片相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition, DAQ)功能，如圖1所示。由圖1，當(dāng)系統(tǒng)上電開始工作時，將程序存儲器中的固化數(shù)字邏輯電路加載映射到FPGA芯片中，使得FPGA成為控制核心。探測系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓脈沖信號傳輸至A/D轉(zhuǎn)換模塊，將FPGA內(nèi)部的時鐘信號進(jìn)行分頻，使得采樣頻率滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，這樣A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠正常工作，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存后傳送到SDRAM中，當(dāng)采集完成后，上位機(jī)通過通信接口發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令給FPGA，F(xiàn)PGA停止對數(shù)據(jù)的采集，開始將SDRAM中緩存數(shù)據(jù)通過通信接口傳輸給上位機(jī)，當(dāng)傳輸完畢后，上位機(jī)再通過通信接口停止發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of the DAQ system.

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 FPGA控制模塊

FPGA是一個含有可編輯元件的半導(dǎo)體器件，通過編程并加載到其中的邏輯程序進(jìn)而控制外部電路[4]。FPGA芯片的選擇需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中的模塊所用的邏輯資源、系統(tǒng)的最高時鐘頻率、連接的外圍器件所需要的IO管腳數(shù)來確定[5]。本設(shè)計要求有較高的時鐘頻率和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，選用美國Altera公司的Cyclonell系列芯片EP2C8Q208C8作為核心處理器進(jìn)行設(shè)計。EP2C8Q208C8是面向邏輯密集型設(shè)計的FPGA芯片，具有豐富的邏輯資源，有8256個宏單元，最高工作頻率達(dá)155.5 MHz，從內(nèi)部資源和時鐘頻率上完全符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

FPGA控制模塊主要功能：(1) 通過內(nèi)部PLL時鐘產(chǎn)生模塊，對外部時鐘做分頻處理后供內(nèi)部的邏輯使用；(2) 對通過ADC678模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的12位數(shù)字信號進(jìn)行采集輸入至FPGA中，經(jīng)內(nèi)部FIFO緩沖的數(shù)據(jù)再存儲到SDRAM；(3) 為ADC678提供數(shù)據(jù)的采樣時鐘和同步信號，又對SDRAM進(jìn)行讀寫控制；(4) 提供SDRAM芯片到RS485接口的數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)通過RS485傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 EP2C8Q208C8內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal logical structure of EP2C8Q208C8.

2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由于FPGA本身不具備模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，必須使用外加的A/D轉(zhuǎn)換電路才能使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本文根據(jù)系統(tǒng)的采集精度和速度，綜合考慮采用AD678作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD678是一個高檔、多功能的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含有采樣/保持器、高精度基準(zhǔn)電源、內(nèi)部時鐘和三態(tài)緩沖數(shù)據(jù)輸出等部件。因此，它只需很少的外部原件就可以構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一次A/D轉(zhuǎn)換僅需要5 μs，提供了相當(dāng)強(qiáng)的功能[6]。

AD678采用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，是一款12位高精度、高速、低功耗的帶采樣保持功能的ADC，采用TTL輸出電平，模擬信號輸入電壓0?120 mV，其動態(tài)范圍為72.25 dB，滿足探測器測量系統(tǒng)的輸出信號動態(tài)范圍和精度要求，轉(zhuǎn)換誤差1 LSB。AD678的轉(zhuǎn)換時序如圖3所示，兩次A/D轉(zhuǎn)換的時間間隔TCR=5 μs。

圖3 AD678轉(zhuǎn)換時序圖Fig.3 Conversion timing of AD678.

A/D轉(zhuǎn)換開始后，EOC下降為低電平，故在A/D轉(zhuǎn)換過程中，EOC保持低電平，A/D轉(zhuǎn)換完成后，EOC變成高電平，故EOC可以作為標(biāo)志位，通知FPGA轉(zhuǎn)換結(jié)束。其時序如圖4所示。

圖4 EOC時序圖Fig.4 EOC timing.

AD678與FPGA采用ADC接口進(jìn)行通信，在異步工作模式下，F(xiàn)PGA給一個負(fù)脈沖信號即可啟動AD678，模擬信號被采樣，此時EOC輸出為低電平，標(biāo)志著模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。當(dāng)其輸出變成高電平時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在OE控制下并行輸出DB[11:0]。AD678與FPGA接口見圖5。

圖5 FPGA與AD678接口圖Fig.5 Interface of FPGA and AD678.

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲器模塊

數(shù)據(jù)存儲器用來對AD678采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和讀取，本系統(tǒng)用一片外部SDRAM芯片，其容量為64 Mbit，具有高容量、快速、高數(shù)據(jù)吞吐率等優(yōu)點(diǎn)。SDRAM與FPGA的接口原理如圖6所示。A0?A11為地址信號，與FPGA端口SA0?SA11相連，D0?D11為數(shù)據(jù)總線，CS為片選信號，低電平有效，WE為存儲器的讀寫信號，低電平有效。

圖6 FPGA與SDRAM的接口圖Fig.6 Interface of FPGA and SDRAM.

2.1.4 數(shù)據(jù)通信模塊

通信模塊采用串口通信，主要負(fù)責(zé)將SDRAM中存儲的數(shù)據(jù)讀取出來傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、分析、顯示等，串口通信是計算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)的串行發(fā)送，是一種通用的設(shè)備通信協(xié)議[7]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信時通過光耦合器隔離器件與上位機(jī)進(jìn)行通信，光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。串口通信標(biāo)準(zhǔn)選用RS485協(xié)議[8]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

利用硬件描述語言來完成數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸數(shù)據(jù)至PC機(jī)是本設(shè)計重要的環(huán)節(jié)，采用合理的時序邏輯協(xié)調(diào)各模塊間的工作才能保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作。各模塊全部由時序邏輯產(chǎn)生控制操作，其流程圖見圖7。首先對FPGA進(jìn)行初始化，通過FPGA邏輯控制ADC芯片和SDRAM將采集、存儲的數(shù)據(jù)通過通信接口傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)發(fā)出傳輸數(shù)據(jù)的命令，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，整個時序邏輯控制采用硬件描述語言Verilog語言編寫實(shí)現(xiàn)。

圖7 系統(tǒng)邏輯流程圖Fig.7 Logic chart of the system.

3 系統(tǒng)測試

在核輻射探測器中，帶電粒子和物質(zhì)相互作用使物質(zhì)中的原子電離和激發(fā)都是隨機(jī)的，存在統(tǒng)計漲落[9]，在放射性氣溶膠α粒子進(jìn)入PIPS探測器的靈敏體積時，電子空穴對數(shù)目的統(tǒng)計漲落規(guī)律使PIPS探測器的輸出信號幅度、形狀、前后脈沖間隔不均勻，滿足不同的隨機(jī)分布，并且使得實(shí)際測量得到的脈沖譜和理論上存在差異。

根據(jù)這一系列特點(diǎn)，本文對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端探測系統(tǒng)產(chǎn)生的信號進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，分析輸出仿真信號，通過建立數(shù)學(xué)模型仿真并與實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證探測系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確性。為驗證設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是可靠穩(wěn)定的，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對探測器信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得出脈沖信號，最終得到放射性α氣溶膠能譜。

3.1 數(shù)據(jù)采集測試

放射性氣溶膠監(jiān)測儀探測系統(tǒng)PIPS探測器輸出信號為微弱的電壓脈沖信號，經(jīng)過前置放大器進(jìn)行核信號放大。其輸出信號可用雙指數(shù)模型進(jìn)行近似描述為：

式中，u(t)表示階躍函數(shù)；k為比例系數(shù)；τ1、τ2分別是雙指數(shù)信號慢時間常數(shù)和快時間常數(shù)，前置放大電路的輸出信號上升時間和衰減時間由τ1、τ2共同決定。為更好地描述探測系統(tǒng)的輸出信號，對此信號進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬仿真。取不同的τ1、τ2，k取1，運(yùn)用MATLAB仿真工具得到輸出波形如圖8所示。

圖8 探測系統(tǒng)輸出信號仿真圖Fig.8 Output signal simulation map of the detection system.

通過測量得到探測系統(tǒng)信號波形如圖9所示。由圖9可見，前置放大器最終輸出信號幅值極值約為120 mV，在4 μs內(nèi)信號衰減為0，與圖8仿真結(jié)果類似，可以得出與信號數(shù)學(xué)模擬相一致，符合實(shí)際情況，能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集要求。

圖9 實(shí)測信號波形圖Fig.9 Measured signal waveform.

由于探測系統(tǒng)產(chǎn)生的信號周期恒定，將采集到的信號經(jīng)過ADC通道，在FPGA控制下將信號調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率，使得ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到一系列脈沖信號，最終得到在一定測量時間內(nèi)放射性凈計數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對探測器電子學(xué)信號的實(shí)時數(shù)據(jù)采集。

3.2 實(shí)驗測試

在實(shí)驗室本底條件下，放射性α氣溶膠監(jiān)測儀通過氣泵以一定速率從樣品氣體中抽取部分，經(jīng)過濾膜后將空氣中的一定粒徑的放射性氣溶膠沉積在濾紙上，通過對其測量得到人工放射性核素與天然本底核素的α能譜，如圖10所示。

圖10 人工放射性核素與天然本底核素的α能譜Fig.10 α spectrum of radionuclides and natural background radionuclides.

氣溶膠中人工α放射性的測量采用能量甄別修正法，需要監(jiān)測的人工α放射性氣溶膠能量與天然本底氡、釷子體的α射線能量是不同的。采用具有能量分辨本領(lǐng)的半導(dǎo)體探測器進(jìn)行甄別就可以通過能量甄別的方法將他們加以區(qū)分。測量能譜中有三個天然本底的α能峰，依次為212Bi（220Rn的衰變鏈）6.05 MeV的α粒子和218Po（222Rn的衰變鏈）6.00 MeV的α粒子的疊加能峰；214Po（222Rn的衰變鏈）7.68 MeV的α粒子能峰；212Po（220Rn的衰變鏈）8.78 MeV的α粒子能峰。可見，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效分辨出天然本底的α能峰，實(shí)現(xiàn)了放射性α氣溶膠的實(shí)時監(jiān)測。

4 結(jié)語

本文根據(jù)放射性α氣溶膠監(jiān)測儀的設(shè)計要求，以FPGA為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，采用

FPGA+ADC+SDRAM的方法，開展了放射性α氣溶膠監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。通過對探測系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓脈沖信號進(jìn)行高速ADC采集實(shí)驗和在環(huán)境本底下開展的實(shí)驗室測試，可以看出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉降男盘栠M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對探測器電子學(xué)信號的實(shí)時采集，并且在環(huán)境本底下可以有效分辨出天然本底的α能峰，實(shí)現(xiàn)放射性α氣溶膠的實(shí)時監(jiān)測。在今后的工作中，將繼續(xù)優(yōu)化放射性α氣溶膠監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。

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CLC TL816+.2

Design of data acquisition system for radioactive α aerosols monitor

CHEN Feng1,2XIA Xiaobin1ZHANG Zhihong1,2CAI Jun1
CHEN Mingming1TU Chuanhuo1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: In the workplace of the nuclear facilities, radioactive α aerosols monitoring in a fast, continuous way is required for protecting workers against radiation exposure. Purpose: Based on concentrations level of α aerosols in the workplace, α aerosol monitor was designed. The overall design scheme of the data acquisition system of the radioactive α aerosol monitor was introduced. Methods: A Cyclonell series FPGA (Field Programmable Gate Array) chip EP2C8Q208C8 from Altera corporation was applied as the control core to complete the A/D converter of AD678, data storage, and data communication with remote computer via RS485 interface. The sample data was stored in the data memory of 64 Mbit SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) for continuous and fast sampling. Both the numerical simulation and experimental measurements were carried out to verify the reliability of the data acquisition system. Results and Conclusion: Results show that the data acquisition system can acquire and control the detector signal for the radioactive α aerosols monitor in real-time, high-precision and fast-speed.

α aerosols, FPGA, Data acquisition, A/D conversion, High precision

TL816+.2

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陳峰，男，1988年出生，2011年畢業(yè)于安徽大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，輻射探測系統(tǒng)開發(fā)

夏曉彬，E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

2015-01-28，

2015-03-06