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        基于AVR單片機與USB接口的多道譜儀的設(shè)計

        2016-09-16 08:27:06中國原子能科學(xué)研究院吉曉梅劉志珍郭星辰李瑋瑛張培旭
        電子世界 2016年12期
        關(guān)鍵詞:譜儀端點中斷

        中國原子能科學(xué)研究院 吉曉梅 劉志珍 郭星辰 李瑋瑛 張培旭

        基于AVR單片機與USB接口的多道譜儀的設(shè)計

        中國原子能科學(xué)研究院吉曉梅劉志珍郭星辰李瑋瑛張培旭

        介紹了一種基于AVR單片機和USB接口的多道譜儀,采用AVR單片機ATmega128作為主控制器,通過USB專用芯片CH372進行數(shù)據(jù)傳輸,該譜儀采集速度快,計數(shù)率高,更換不同的探測器可以實現(xiàn)不同能量范圍的譜數(shù)據(jù)采集。

        數(shù)據(jù)采集;單片機;USB

        隨著核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,需要對核輻射及放射性核素所攜帶的信息進行測量和分析研究,以便能監(jiān)測各種輻射能量和輻射劑量,為核設(shè)施的安全運行提供數(shù)據(jù)并防止放射性物質(zhì)對人員的傷害。多道譜儀是獲取能譜數(shù)據(jù)的重要儀器,傳統(tǒng)的多道譜儀多采用NIM插件,不易使用。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展,便攜、智能核儀器已成為放射性測量儀器發(fā)展的一個主導(dǎo)方向。

        1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

        系統(tǒng)主要由探測器,多道譜儀和上位機分析軟件構(gòu)成。其中多道譜儀由電源電路、高壓模塊、主放大器、數(shù)據(jù)采集電路、USB接口電路構(gòu)成。系統(tǒng)的工作原理是將探測器輸出的脈沖信號經(jīng)放大器放大成型,然后由多道譜儀區(qū)分出不同道數(shù)的脈沖數(shù)量,并將數(shù)據(jù)通過USB送給上位機,上位機軟件通過數(shù)據(jù)分析處理從而得到探測器所探測到的放射性元素的譜線。系統(tǒng)的硬件組成示意圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成示意圖

        2 硬件設(shè)計

        硬件設(shè)計主要包括了數(shù)據(jù)采集電路和USB接口電路的設(shè)計,數(shù)據(jù)采集電路主要由單片機控制在閾值范圍內(nèi)的信號通過峰值甄別保持電路,由A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行存儲,然后將數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機。

        2.1數(shù)據(jù)采集電路

        單片機采用的是AVR系列功能很強的ATMEGA128,其運用Harvard結(jié)構(gòu)概念,具有預(yù)取指令功能,即程序存儲和數(shù)據(jù)存儲具有不同的存儲器和總線。當(dāng)執(zhí)行某一指令時,下一指令預(yù)先從程序存儲器中取出,程序執(zhí)行效率高。其機器周期為1個時鐘周期,絕大多數(shù)的指令為單周期指令,工作頻率為16MHz時可達到16MIPS的性能,即每條指令的執(zhí)行時間僅為62.5ns。

        通過ATMEGA128自帶的串行通訊接口(SPI)連接控制數(shù)字電位器,實現(xiàn)了閾值改變的自動化,即只需通過上位機軟件的操作就能改變閾值。由于ATMEGA128內(nèi)部僅含有4K的數(shù)據(jù)存儲器,數(shù)據(jù)存儲量較小,所以擴展了一片外部數(shù)據(jù)存儲器。

        正是因為ATMEGA128有豐富的外圍接口,加快了開發(fā)的速度。

        由于探測器輸出的信號經(jīng)過放大器的整形放大后,峰值寬度較窄,而模擬峰值信號要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要通過A/D轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換電路需要一定的時間來完成轉(zhuǎn)換,所以在轉(zhuǎn)換期間要保證模擬峰值信號的穩(wěn)定,必須將峰值展寬,以滿足ADC采樣量化。信號通過閾值篩選后分為兩路,一路給采保電路;另外一路與電壓比較器相連。峰值到達后,提供一個中斷信號給ATMEGA128;然后啟動AD轉(zhuǎn)換器進行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)存儲到外部存儲器中。

        2.2USB接口電路

        USB接口電路采用南京沁恒公司的CH372芯片。在本地端,CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出,可以方便的掛接到單片機的系統(tǒng)總線上;在計算機系統(tǒng)中,CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口,與本地端單片機通訊如同讀寫文件。單片機通過8位并口對CH372進行控制讀寫,CH372工作于內(nèi)置固件模式,接收到單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)或者給單片機發(fā)送完數(shù)據(jù)后就以中斷的形式通知單片機,單片機則通過讀取中斷標(biāo)志位來判斷中斷類型,然后做出相應(yīng)的控制處理。

        3 USB接口軟件設(shè)計

        CH372內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議,具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下,CH372自動處理默認端點0的所有事務(wù),端點2的上傳端點作為批量數(shù)據(jù)發(fā)送端點,端點2下傳端點作為批量數(shù)據(jù)接收端點,本地端計算機只要負責(zé)數(shù)據(jù)交換,所以單片機程序非常簡潔。

        程序發(fā)生中斷時,如果是USB通訊中斷則跳轉(zhuǎn)到USB中斷處理程序,先獲取中斷狀態(tài)并取消中斷請求,然后判斷是端點下傳成功(接收上位機下傳的參數(shù)設(shè)置命令)還是端點上傳成功(下位機上傳數(shù)據(jù)給上位機)。若是端點下傳成功,先從USB中斷的端點緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊,并釋放緩沖區(qū),判斷讀取到數(shù)據(jù)塊的首位是什么命令然后進行處理。若是端點上傳成功即下位機上傳給上位機的數(shù)據(jù)上傳成功,再上傳一組數(shù)據(jù)后釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū),中斷返回。程序流程圖見圖2。

        圖2 USB中斷程序流程圖

        4 采用55Fe源對譜儀進行能量分辨率標(biāo)定

        4.1譜儀參數(shù)

        譜儀通道數(shù)為1024道,放大倍數(shù)為200倍、下閾值為30mV,上閾值5V。

        4.2譜圖

        圖3為測得的55Fe能量譜圖,從55Fe的道址-計數(shù)圖中(左圖)可以直觀的看到最明顯的兩個峰。進行能量刻度后(右圖),兩個峰位對應(yīng)的能量分別為5.9keV和6.4keV,在能量-計數(shù)率圖中,對5.9keV能量峰進行能量分辨率計算,得出能量分辨率為2.2%,即128.1eV。

        圖3 55Fe能量譜圖

        5 結(jié)論

        多道譜儀利用ATMEGA128進行控制,底層軟件用于數(shù)據(jù)的采集和處理,所有數(shù)據(jù)通過USB傳送給上位機,不僅采集速率高、傳輸速度快、還具有可擴展,可靠性高等優(yōu)點,采用55Fe源測得該譜儀的能量分辨率為2.2%,即128.1eV

        [1]王經(jīng)瑾,范天民,錢永庚,等.核電子學(xué)[M].原子能出版社,1983.

        [2]周志成.核電子學(xué)基礎(chǔ)[M].原子能出版社,1986.

        [3]吳治華.原子核物理實驗方法[M].高等教育出版社,1997.

        [4]CH372手冊[Z].南京沁恒電子有限公司

        吉曉梅(1981-),女,吉林白山人,大學(xué)本科,工程師,研究方向:核電子技術(shù)應(yīng)用。

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