高 超，盧亮亮，曹劍鋒

(1.中國人民解放軍防化學院，北京 102205； 2.探月與航天工程中心，北京 100037)

基于藍牙4.0的微型核輻射劑量計設計

高 超1，盧亮亮2，曹劍鋒1

(1.中國人民解放軍防化學院，北京 102205； 2.探月與航天工程中心，北京 100037)

針對目前個人核輻射劑量監(jiān)測手段便攜性差、實時性較差和持續(xù)監(jiān)測能力不足等問題，設計了一種基于藍牙4.0模塊的微型低功耗核輻射劑量計;系統(tǒng)使用計數管探測輻射粒子，充分利用了MSP430混合信號處理器和藍牙4.0模塊的低功耗特性，體積小巧、續(xù)航能力強、運行穩(wěn)定可靠;該劑量計配合手機APP即可單獨使用，又可多臺組網使用，可為人員提供持續(xù)可靠地實時劑量率監(jiān)測和個人劑量分析，在核工業(yè)及核醫(yī)學個人防護領域具有廣闊的應用前景。

劑量率；核輻射監(jiān)測；低功耗；藍牙4.0

0 引言

核輻射射線作用于生物機體，輻射能量被機體吸收，引起生物機體電離或激發(fā)，使機體中的生物大分子的結構破壞，影響組織或器官的正常功能，嚴重時可能導致機體死亡[1]。準確及時的輻射劑量率測量，不僅能夠為輻射環(huán)境從業(yè)人員提供科學的防護依據，還可以在發(fā)生核泄漏、放射性污染等緊急事故時及時發(fā)出預警，減少人員傷亡。目前的輻射監(jiān)測設備主要針對環(huán)境監(jiān)測、核素識別等運用領域，普遍存在價格昂貴，使用攜帶不便等問題。針對輻射環(huán)境從業(yè)人員個人劑量監(jiān)測需要，本文使用氣體計數管，以MSP430單片機為核心配合藍牙4.0模塊設計了一種可以測量實時劑量率、分析歷史輻射劑量的便攜式低功耗低成本個人輻射劑量設備。

1 系統(tǒng)設計

微型低功耗核輻射劑量計總體結構如圖1所示。當有射線粒子進入計數管產生脈沖信號經放大整形電路處理形成數字脈沖信號，單片機對該脈沖進行計數，并按一定的時間周期進行統(tǒng)計。單片機測得的計數通過藍牙4.0模塊發(fā)送到智能手機，由APP計算得出實時劑量率。單片機還完成接收手機指令，調整工作參數，監(jiān)測電池電量等功能。

系統(tǒng)的數據存儲、分析、運行參數設置等功能由手機APP完成，基于手機APP的輻射劑量率監(jiān)控管理系統(tǒng)不在本論文討論范圍內。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設計

2.1 單片機選型及資源分配

單片機選用MSP430F149可以在滿足硬件需求的前提下充分降低功耗和成本。單片機資源及管腳分配如圖2所示。2個8位定時/計數器TA作為計時器產生周期中斷對單片機進行喚醒，同時為ADC12提供采樣/保持脈沖；TB作為計數器，時鐘輸入端口接放大整形電路輸出的脈沖信號；UART0作為藍牙BLE模塊的通訊接口； 1個8/12位ADC用于電池電量信息采集[2]。

圖2 單片機管腳分配原理圖

2.2 計數管及放大整形電路

計數管工作時，陽極上由高壓電源Vout供給400伏以上高壓，當射線粒子在工作氣體中產生的電子漂移到中心絲附近時，漂移過程中獲得的能量進一步電離與之碰撞的氣體，最后收集到的離子對總電荷量與射線粒子產生的原始電荷量Q成正比，其比例系數M由高壓Vout決定。電離產生的電子中和了陽極上一部分電荷，使陽極電位降低，隨后高壓電源又通過電阻R向計數管充電，使陽極電位恢復，由此在陽極上產生一個負的電壓脈沖[3]。由入射粒子形成的脈沖經過放大整形后送入單片機計數器時鐘輸入端口完成計數。計數管及放大整形電路如圖3所示

圖3 計數管及放大整形電路原理圖

2.3 藍牙BLE模塊

本設計采用的藍牙4.0BLE模塊主芯片為CC2540，功率等級II級，典型發(fā)射功率0 dBm，典型接收靈敏度-88 dB，最大接收靈敏度-94 dB，板載天線，具有超低功耗、尺寸小巧，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點[4]。使用該模塊降低了系統(tǒng)的硬件復雜度、體積、功耗和成本，縮短了開發(fā)時間和開發(fā)難度，其原理如圖4所示[5]。場效應管SI2333由單片機控制，用于開/關藍牙模塊電源，當控制管腳為低電平時為藍牙模塊供電，為高電平時斷電；藍牙模式控制端口接單片機P3.0，藍牙鏈接狀態(tài)端口Link接單片機P3.1，當藍牙模塊與其它設備建立鏈接時P3.1端口被置為高電平，當藍牙模塊為鏈接狀態(tài)時可以通過拉低P3.0將其強制工作在AT模式下；與單片機通訊的數據通過UTX,URX傳輸。

圖4 藍牙模塊電路原理圖

2.4 電源管理電路及低功耗設計

監(jiān)測儀采用可充電電池供電，并通過MicroUSB端口為其充電。電池電壓經1/2分壓后接A1端口，用于電量監(jiān)測。本設計中ADC工作在12位轉換模式，采用單信號通道重復采樣，由TA.out1提供采樣觸發(fā)脈沖。參考電壓為內部2.5 V基準電壓VREF+，轉換時鐘由ACLK提供，電源及電池監(jiān)測電路如圖5所示。

受外形尺寸約束，對電池的體積與電量有較大限制，頻繁的充電會嚴重影響用戶的使用體驗，因此這類微型個人監(jiān)測設備必須采取低功耗設計。各主要模塊工作電流如表1所示。

由表1可見，主要功耗來源于藍牙、ADC12、CPU和關閉藍牙時UART0發(fā)送管腳的泄漏電流。本設計采用以下設計降低系統(tǒng)功耗。

(1)單片機采用時間中斷和外部事件中斷(接收到手機指令)混合工作模式，系統(tǒng)初始化完成后立即進入低功耗模式，等待定時器中斷或者外部事件中斷的喚醒。定時器A每秒鐘產生一次中斷，單片機完成計數讀取、時間更新、劑量率計算等任務后再次進入低功耗模式；如果是外部事件(接收到手機指令)中斷，則單片機處理完該事件(指令)后進入低功耗模式。在低功耗模式下，MCLK和SMCLK時鐘關閉，僅ACLK活動，可以明顯降低單片機的功耗。

(2)監(jiān)測儀采用間歇廣播模式，按照預定的時間間隔廣播監(jiān)測數據。當手機需要向監(jiān)測儀發(fā)送指令時，由手機主動發(fā)起鏈接，并發(fā)送數據，監(jiān)測儀接收到數據后提取指令，執(zhí)行完后發(fā)送命令回執(zhí)并斷開藍牙鏈接，隨后進入待機模式。經測試，采用正常環(huán)境下每4秒鐘更新一次廣播內容，每次廣播10 ms，在高劑量率環(huán)境下每秒鐘更新一次內容并持續(xù)廣播的辦法，既滿足監(jiān)測的實時性要求，也可以大大降低系統(tǒng)功耗。

(3)關閉藍牙模塊電源后，將P3.4管腳設置為I/O管腳，并輸出低電平。

(4)由于系統(tǒng)本身采用了低功耗設計電池電壓變化平緩，且CPU工作電壓范圍較寬，故每分鐘測量一次電池電壓是可以滿足電量監(jiān)測設計要求的。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

單片機主程序流程如圖6所示。單片完成內部資源設備和軟件參數設置的初始后，弱藍牙處于連接模式，等待接收藍牙傳輸的控制指令，并完成相關操作；若處于AT模式，將電池狀態(tài)數據和脈沖計數數據搭載到藍牙的設備名稱中，通過更改設備名稱更新廣播信息。如果劑量率在安全閾值以下，監(jiān)測儀每4秒鐘更新一次計數，廣播10 ms等待手機端捕獲廣播內容，或由手機端在必要時發(fā)起鏈接；如果超過閾值則每秒中更新一次計數并持續(xù)廣播。

圖6 主程序流程圖

3.2 定時/計數器A中斷程序設計

TA由ACKL提供時鐘，每秒鐘中斷一次。TA發(fā)生中斷后單片機被喚醒，讀取計數器B的計數并清零TBR寄存器。鑒于輻射信號的隨機性特征，為了消除統(tǒng)計誤差，保證低本底條件下每秒鐘測得的劑量率依然有效，本設計以1分鐘為時間周期統(tǒng)計脈沖個數。

中斷程序在完成計數統(tǒng)計、系統(tǒng)時間更新等其它操作后清除中斷標志位，退出LPM2模式，主程序進入下一個循環(huán)。

3.3 UART0收發(fā)程序設計

UART0由ACLK提供時鐘信號，以幀為單位進行數據接收和發(fā)送，采用中斷工作模式，工作流程如圖7～8所示。

圖7 UART0接收流程圖

圖8 UART0發(fā)送流程圖

發(fā)送數據時，數據幀寫入發(fā)送緩沖區(qū)，使能UART0發(fā)送中斷，軟件觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)送返回寫入緩沖區(qū)的字節(jié)數。觸發(fā)中斷處理函數中，發(fā)送緩沖區(qū)中的數據逐字節(jié)寫入發(fā)送寄存器，直至幀結束符。幀發(fā)送完畢后禁止UART0的發(fā)送中斷。如果發(fā)送中斷處于使能狀態(tài)，則表示當前有數據未發(fā)送完，發(fā)送函數返回0。

接收數據時，當UART0接收中斷被觸發(fā)時，接收寄存器中的字節(jié)依次寫入FIFO接收緩沖區(qū)，如果該字節(jié)為幀結束符，則對接收幀數量加1。函數從接收緩沖區(qū)讀取幀數據時，首先清空幀緩沖區(qū)，然后判斷幀數量，如果兩次判斷均為0表示沒有可用讀取的數據，函數返回0；否則，將接收緩沖區(qū)的數據逐字節(jié)寫入幀緩沖區(qū)，直至幀結束符或接收緩沖區(qū)結尾。每幀提取結束后對接收幀數量減1，并返回幀長度[6]。

3.4 數據格式

本設計中數據分為監(jiān)測儀的廣播數據和指令/應答數據。

藍牙模塊設備名稱最長為20個字節(jié)，我們使用了前15個字節(jié)，其中前9個字節(jié)為實際設備名，用于手機對設備的識別；隨后2個字節(jié)為電池電量數據，最后4個字節(jié)為計數值。

指令幀由手機發(fā)送給監(jiān)測儀，監(jiān)測儀執(zhí)行完指令后將執(zhí)行結果以應答幀的形式發(fā)送給手機，幀結構如圖9所示。幀標志位長度1字節(jié)，固定取值0xfd ；命令字占1個字節(jié)，標識該指令功能；數據長度位占1字節(jié)，值為幀長度減去2(標識位和長度位)；幀數據長度可變但不超過20個字節(jié)，主要包括指令所需的參數；校驗位長度為1字節(jié)，其值為除去結束符的所有字節(jié)依次異或值；幀結束符為兩個連續(xù)的’ ’和’ ’字符。幀命令字定義如表2所示。

幀標識幀命令數據長度幀數據校驗位幀結束

圖9 指令數據幀結構

表2 指令幀主要命令字定義表

序號指令命令字1設備編號設置0x012報警閾值設置0x023時間同步0x034電池電量查詢0x04

4 測試結果與分析

本設計結構緊湊，尺寸長寬高分別為80 mm*20 mm*15 mm(含電池及G-M計數管)，圖10為電路部分與一節(jié)AA電池的尺寸對比情況。

劑量計平均功耗約為2 mA，使用一顆400 mAh的3.7 V鋰電池可連續(xù)工作超過120小時。在北京昌平地區(qū)室內天然本底輻射環(huán)境下測得的脈沖個數約為每分鐘5～6個，經換算后得出室內空氣吸收劑量率為56.47～70.62 nGy/h，處于環(huán)保部2011年公布的《1983～1990年全國環(huán)境天然放射性水平調查結果》北京地區(qū)空氣吸收劑量率范圍內，與70.00 nGy/h的平均值相近。

圖10 微型核輻射劑量計尺寸對比圖

受計數管探測效率影響，在天然本底輻射環(huán)境下測量值比實際值略低，其平均值誤差約為9.2%，小于國標GB/T 14054-201規(guī)定的由隨機漲落產生的10%的變異系數。

5 結束語

該劑量計硬件結構設計簡單、測量實時性好，具有低成本、便攜可靠，使用靈活等優(yōu)點。配合手機APP既可以單獨使用，也可以多個組網對人體關鍵部位進行重點監(jiān)測，可以有效提高相關專業(yè)領域從業(yè)人員的個人實時持續(xù)防化水平。

[1] 盧希庭，江棟興，葉沿林．原子核物理[M].北京：原子能出版社，2000.

[2] Texas Instruments Incorporated．MSP430X1XX Family User＇s Guide[Z].Dallas：Texas Instruments，2006.

[3] 房宗良．核電子學[M].北京：防化學院，2013.

[4] 歐陽駿，陳子龍，黃寧淋．藍牙4.0BLE開發(fā)完全手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2014.

[5] 深圳市藍嵌科技有限公司．CC2540/1藍牙模塊規(guī)格書[Z].深圳：深圳市藍嵌科技有限公司，2016.

[6] 謝 楷，趙 建．MSP430系列單片機系統(tǒng)工程設計與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

Design of Micro Nuclear Radiation Dose Rate Monitor Based on Bluetooth 4.0

Gao Chao1，Lu Liangliang2，Cao Jianfeng1

(1.Institute of NBC Defense，Beijing 102205，China； 2.Lunar Exploration and Space Engineering Center，Beijing 100037，China)

Based on MSP430 mixed signal processor and Bluetooth 4.0 module，this paper designed a micro nuclear radiation dose rate monitor to improve its portability，real time feature and the ability of continuous monitor．The system used a G-M counter to detect the radiation particles, and it was designed smart, continuous and reliably by take advantage of the Ultralow-power feature of the MSP430 and Bluetooth 4.0 module. The micro monitor could provide sustained and reliable real-time dose rate monitoring for person and personal dose analysis by using a smartphone APP either single or multiple and has wide application prospects in the field of nuclear industry and nuclear medicine personal protection.

dose rate; nuclear radiation monitor; low power: Bluetooth 4.0

2016-07-01；

2016-12-15。

高 超(1984-)，男，河北秦皇島人，工程師，碩士研究生，主要從事核輻射監(jiān)測及電子信號處理方向的研究。

盧亮亮(1989-)，男，浙江東陽人，工程師，碩士研究生，主要從事深空探測總體技術方向的研究。

1671-4598(2017)05-0266-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.073

TP3

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