營(yíng)口世紀(jì)電子儀器有限公司 王 洋 侯廣軍 高 健

基于FPGA的T i me-To-Count 輻射測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)研究

營(yíng)口世紀(jì)電子儀器有限公司 王 洋 侯廣軍 高 健

本文以FPGA EP1C12F256i7芯片為核心，根據(jù)Time-To--Count輻射測(cè)量方法學(xué)習(xí)探討。使用其核心器件，對(duì)于Time-To-Count技術(shù)使用方法，利用EP1C12F256i7芯片的計(jì)數(shù)器設(shè)置控制硬件邏輯引腳功能，解決了Gm管較長(zhǎng)死時(shí)間問題，導(dǎo)致測(cè)量范圍誤差較大，本文論證FPGA EP1C12F256i7處理器芯片的time-to-count 可以提高GM計(jì)數(shù)管的測(cè)量范圍與測(cè)量精度。

FPGA；Time-To-Count；蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管；輻射測(cè)量

1.Time-To-Count輻射測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)組成

為解決輻射測(cè)量?jī)x測(cè)試的穩(wěn)定性，系統(tǒng)由fpga EP1C12F256i7核心板、 Time-To-Count控制板及輻射探測(cè)測(cè)器七個(gè)主要部分組成。輻射部件組成如圖1。EP1C12F256i7控制板上采用fpga處理器芯片、復(fù)位電路、電源電路、串口電路、IC EEROM電路 、2556X64液晶接口電路、鍵盤接口電路等。輻射測(cè)量?jī)x對(duì)于脈沖信號(hào)的處理及對(duì)高壓電源、液晶顯示、鍵盤的控制，fpga EP1C12F256i7控制板是Time-To-Count輻射測(cè)量?jī)x采集Gm最關(guān)鍵的部分。主要功能實(shí)現(xiàn)対Time-To-Count系統(tǒng)的計(jì)數(shù)前時(shí)間精確計(jì)算、控制高壓電源的通斷、対于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集并處理，通過(guò)io口及控制oled、鍵盤處理。利用電源轉(zhuǎn)換芯片提供提供高壓電源的DC/DC升壓變壓器輸入，使高壓電源模塊穩(wěn)定。

圖1 輻射儀各部件關(guān)系

（1）電源電路

輻射測(cè)量?jī)x的電源是LM2576電源芯片， 前端用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)管，瞬太抑制二極管，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲組成保護(hù)電路。通過(guò)外接+24V-40V濾波后電壓穩(wěn)壓芯片LM2575為提供+5V的電源。由于FPGA EP1C12F256i7需要3.3V的電源供電，所以我采用臺(tái)灣生產(chǎn)AMS1117-3. 3芯片，設(shè)計(jì)中增加10uh電感，可加少量的濾披電容和限制瞬時(shí)的電流，把LM2575輸出出來(lái)5v電源供AMS1117-3.3 V的電源，AMS1117-3. 3是臺(tái)灣公司生產(chǎn)的LDO芯片，特點(diǎn)是輸出電流大約1A，內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，設(shè)計(jì)中其輸出端需要一個(gè)100uF的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)變化和穩(wěn)定性 。

（2）系統(tǒng)時(shí)鐘電路

FPGA EP1C12F256i7控制板可使用外部品振成外部時(shí)鐘源， 內(nèi)部電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，提供系統(tǒng)運(yùn)行速度，此Time-To-Count輻射使的控制板板使用了外部50MH品振?？梢詫y(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)485總線/232串口發(fā)送給上位機(jī)(PC) ，利用vb，vc編寫上位機(jī)標(biāo)定程序，利用該時(shí)鐘電路使串口波特率更精確，通訊穩(wěn)定。

（3）JTAG接口電路

本文的FPGA EP1C12F256i7控制板來(lái)用ALTERA公司提出的標(biāo)雄i20腳JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG信號(hào)定義及與EP1C12F256i7的連接。根據(jù) EP1C12F256i7的應(yīng)用手冊(cè)說(shuō)明，在TDO，TCK，TDI引腳接一個(gè)1KΩ的下拉電阻，JTAG接口電路的作用使IC芯片固化，通過(guò)邊界掃描便可以被測(cè)試。在此基礎(chǔ)上增加限流電阻保護(hù)JTAG口的穩(wěn)定性，避免芯片燒毀。

（4）oled接口電路

選用OLED模塊，有spi串行多種接口方式.其顯示分辨率為256X64，方顯示256X64顯示數(shù)據(jù)RAM，可完成圖形.數(shù)字 文字顯示，具有低電壓低功耗的特點(diǎn)。 簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路既可驅(qū)動(dòng)發(fā)光、耐低溫-40°c等特性，在所以本系統(tǒng)將利用5個(gè)IO來(lái)模擬八位數(shù)據(jù)/地址總線，OLED_WR#_C來(lái)產(chǎn)生LCD的讀信號(hào)，用OLED_DC#_C來(lái)產(chǎn)生LCD數(shù)據(jù)/地址控制信號(hào)。OLED_WR#_C來(lái)至控制片選信號(hào)，OLED_ret#_C引腳復(fù)位信號(hào)，接入IO +3.3V0電源作為 VCC，I/0口接+3.3V器件的數(shù)字理輯電路 。

（5）鍵盤接口電路

本輻射測(cè)量?jī)x設(shè)置8個(gè)獨(dú)立獨(dú)鍵，分別為Key1- Key8，所示由于IO口(Key1_C- Key8_C，)作為輸入時(shí)，內(nèi)部無(wú)上拉電阻，使用R200至R207等8個(gè)上拉電阻， 這個(gè)電路的工作原理是采用程序掃描的方式檢測(cè)某個(gè)按鍵狀態(tài)。比如將Px口的4位全置為低電平，這時(shí)如果沒有任何按鍵按下的話，從Py口讀回的4位應(yīng)全為高，而如果有某一鍵按下，則對(duì)應(yīng)按下鍵的那一列的位讀回值將為低。這樣就能知道按下鍵所在的列；接著確定按鍵所處行，把Py口的輸入值作為輸出，Px全部置高并讀取輸入，就能得到按鍵所在行位置，于是就確定了所按按鍵的行列位置。

（6）G-M探測(cè)器連接電路

蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管(GM管)也稱氣體放電計(jì)數(shù)器。一個(gè)密封玻璃管，中間是陽(yáng)極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)，或是一個(gè)金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空充惰性氣體(氖、氦)、鹵族氣體。特點(diǎn)是工作電壓低。本電路選用了J305βγ型玻璃計(jì)數(shù)管，其測(cè)量范為的10μgy/ h到50gy/h，工作電壓為在+360～+430v，我們選用430V 。 選擇天津生產(chǎn)的高壓DC/DC 模塊，由系統(tǒng)接入5v，轉(zhuǎn)換出430v高壓提供計(jì)數(shù)管。

當(dāng)脈沖通過(guò)RC電壓后送到高壓處理模塊HV引腳高壓送入驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊輸出為負(fù)短形脈沖， 接入FPGA處理器的P0.4(m_t)腳 ，此引腳為的定時(shí)器0捕獲輸入通道1 。FPGA精準(zhǔn)判斷來(lái)至m_t引腳的設(shè)是否為下降沿觸發(fā)， 通過(guò)定時(shí)器0捕獲輸入通道1產(chǎn)生的中斷來(lái)調(diào)用中斷處理程序，計(jì)算計(jì)數(shù)前時(shí)間 ，不會(huì)受計(jì)數(shù)管死時(shí)間影響。

2.結(jié)語(yǔ)

本文以 FPGA為平臺(tái)采用了Time-To-Count方法對(duì)輻射射線測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方法的應(yīng)用提高了輻射儀的量程、 人機(jī)操作也簡(jiǎn)單。也可以利用上位機(jī)電腦對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，改變了原多GM管線性補(bǔ)償計(jì)算方法的帶來(lái)誤差，提高 GM計(jì)數(shù)管的量程。運(yùn)用Time-To-Count測(cè)量方法的使用，將J305計(jì)數(shù)管的測(cè)量范圍提高了100倍，刻服了GM管死時(shí)間的影響，最終達(dá)到提高了測(cè)量范圍及精度的目的。

[l]紹暉,談偉飛等．一種新的-G-M計(jì)數(shù)管Time-To-Count測(cè)量方法[J]．核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2002,22(3)： 2ll-2l4．

[2]劉志強(qiáng),馬紅光,馬文彥等．Time-To-Count技術(shù)測(cè)量輻射強(qiáng)度的原理[J]．核電子學(xué)與探測(cè)技本,2006,26(l)：4l-44．

[3]楊永剛等．基于ARM的Time-To-Count輻射測(cè)量?jī)x的研究[D]．成都理工大學(xué),2008．

王洋（1983—），男，遼寧營(yíng)口人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：電子技術(shù)。

侯廣軍（1975—），男，遼寧營(yíng)口人，大學(xué)專科，工程師，研究方向：電子技術(shù)。

高健（1988—），男，遼寧營(yíng)口人，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：電子技術(shù)。