基于STM32的多功能γ能譜儀設計

黃麗佳，劉 龍 ，劉 洋 ，謝東岳，李福星，趙西元

（大連東軟信息學院 電 子工程系， 遼寧 大 連 1 16023）

隨著對天然輻射場中低能量γ譜學及其應用的深入研究，γ能譜儀不僅在固體礦產(chǎn)勘探、油氣普查、水文和工程地質(zhì)調(diào)查等工業(yè)生產(chǎn)及科學研究方面，甚至在民用的環(huán)境輻射場調(diào)查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測方面，都得到廣泛的應用，應用場合的復雜多樣化對核輻射測量儀器提出新的需求[1]。傳統(tǒng)的核輻射測量儀器常采用探頭與主控儀器分離的方式，而且主控儀器通常采用32位ARM7處理器甚至8位單片機系統(tǒng)來進行控制，數(shù)據(jù)采集常采用速度較低的ADC芯片。硬件電路復雜、體積大、集成度低、功能單一。近年ARM公司Cortex-M系列ARM核的推出將微控制器的性能提高到一個嶄新的高度，同時功耗與成本大大降低。本文介紹一種主要基于最新Cortex-M3核的STM32微處理器，利用NaI探測器，融合無線通信，位置定位功能、具備大容量SD卡文件數(shù)據(jù)存儲、USB傳輸接口的γ能譜儀設計。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本能譜儀是以意法半導體出品的STM32芯片為主控制器，搭配NAI探測器及外圍電路構(gòu)建的硬件平臺；以嵌入式實時操作系統(tǒng)uCosII2.9.0為軟件平臺，進行驅(qū)動開發(fā)，應用程序管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

電源部分采用鋰電池組供電，經(jīng)過電源管理模塊產(chǎn)生探頭所需高壓外，還需提供信號調(diào)理，控制回路所需工作電源；主控制器部分采集GPS模塊定位數(shù)據(jù)，實時時鐘模塊時間數(shù)據(jù)，加入到輻射測量數(shù)據(jù)中作為數(shù)據(jù)標志；同時將測量結(jié)果顯示在TFT液晶屏上，或者通過USB電路傳送至上位機；在主控制作用下，系統(tǒng)定時會將測量數(shù)據(jù)保存至SD卡，存儲數(shù)據(jù)以備回查[2]。在系統(tǒng)硬件設計中，主控制器回路，前置放大及脈沖成型電路、甄別電路及GPS電路是本能譜儀重點改進之處。譜儀硬件組成如圖2所示。

2.1 主控制器STM32

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

為了充分發(fā)揮Cortex-M3核特點，降低能譜儀功耗的同時提升系統(tǒng)處理速度和其他性能，系統(tǒng)采用STM32系列32 Bit微控制器，芯片型號為STM32F103ZETT6[3]。該芯片工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，64K的SRAM和512K的Flash，具備豐富的增強IO端口和連接到兩條APB總線的外設。器件包含兩個12 bit的ADC，3個通用16 Bit定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C和SPI，5個USART，1個USB和CAN。工作電壓為常見的3.3 V。該芯片專門設計于集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭價格與一體的產(chǎn)品設計領域需求。

2.2 前置放大及脈沖放大成形電路

為了滿足現(xiàn)場工作靈敏的脈沖放大器要求，選用Ф75×75 mm NaI（Tl）探測器，能量分辨率一般可達到 8%（銫 137源）。探測器工作后經(jīng)光電倍增管產(chǎn)生的信號首先通過前置放大器和主放大器調(diào)理，用于對探測器輸出信號的幅度放大和脈沖成形。前置放大器由高速、低漂移、寬頻帶集成運算放大器AD844構(gòu)成的電壓跟隨器，主放大器包括極零相消電路、可調(diào)主放大器、有源積分濾波電路。主放大器由AD8066配套周圍電路組成如圖3所示。

圖3 主放大器電路Fig.3 Main amplifier circuit

圖4為積分濾波成形電路。前一級是二階有源積分濾波成形電路。隨后緊跟一級無源RC積分電路。核脈沖信號經(jīng)過積分濾波成形電路后，就可以得到頂部較圓，信噪比較高的高斯型波形信號，方便后續(xù)電路處理。

2.3 甄別電路

圖4 有源濾波電路Fig.4 Active filter circuit

脈沖整形后信號通過峰值檢測及相應控制電路，然后送入主控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集。為消除高能或低能噪聲對測量的干擾，對脈沖幅度需采用幅度甄別器來對信號進行甄別，只允許一定幅度的脈沖通過，供后繼電路采集。此部分電路采用LM339電壓比較器，其輸入阻抗高，開環(huán)增益大，電壓上升速率快，恢復時間短，具體設計如圖5所示。

圖5 甄別電路Fig.5 Discriminator circuit

2.4 GPS電路、實時時鐘電路及SD卡存儲電路

傳統(tǒng)譜儀僅實現(xiàn)輻射強度實時測量，對測量點具體位置及測量具體時間無法記錄，也無法實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲，以提供歷史數(shù)據(jù)回查功能。為了克服以上缺點，本能譜儀進行了改進。

為了實現(xiàn)輻射源實時位置的監(jiān)測，系統(tǒng)需要配置定位設備，由于輻射源的適用場合主要是室內(nèi)，而普通的GPS在室內(nèi)無信號，無法滿足實際應用需要，本系統(tǒng)選用GPS和CDMA移動通信雙重定位技術的GPS-one模塊來實現(xiàn)輻射源的實時定位，GPS-one是美國高通公司開發(fā)的基于CDMA技術標準的定位技術，采用Client/Server方式。他將無線輔助A-GPS和高級前向鏈路AFLT三角定位這兩種定位技術有機結(jié)合，實現(xiàn)高精度、高可靠性和較高定位速度。在A-GPS定位技術無法使用的環(huán)境中，會自動采用AFLT三角定位技術，從而確保定位的成功率和準確度。本譜儀使用的GPS-one模塊具體型號為DTGS8-800。DTGS8-800模塊具有標準的RS232接口，可通過TTL-RS232轉(zhuǎn)換器與STM32連接，采用標準的AT指令驅(qū)動模塊工作。

輻射強度測量數(shù)據(jù)的存儲物理介質(zhì)為高密度SD卡，利用STM32內(nèi)部集成的SDIO接口擴展的micro-SD卡作為數(shù)據(jù)存儲；實時時鐘電路采用DS1337日歷芯片，利用STM32內(nèi)部集成的串行IIC總線接口與之連接[5]。上述設備連接方式簡單，通信可靠，大大降低了系統(tǒng)尺寸，提高了穩(wěn)定性。

2.5 其他外圍電路

經(jīng)過外圍電路調(diào)理過的核輻射脈沖信號通過STM32內(nèi)置的高速ADC進行測量，STM32F103ZET擁有兩個12bit的ADC，其VREF+，VREF-為基準電壓輸入引腳?；鶞孰妷狠敵鲭娐凡捎肦EF3233，為系統(tǒng)提供精密3.3 V參考電壓，保障數(shù)據(jù)采集精確。

利用STM32內(nèi)置全速USB2.0接口，配合若干電阻電容，擴展USB接口，作為上位PC機與譜儀通訊使用。上述部分具體連接電路在此不予贅述。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)設置數(shù)據(jù)處理、LCD實時顯示、鍵盤掃描、SD卡數(shù)據(jù)讀寫、GPS位置定位數(shù)據(jù)處理、處理USB數(shù)據(jù)傳輸和消息處理一共7個任務[4]。由于核信號的隨機性和峰值信號的時間間隔不可預料性。輻射強度測量重要數(shù)據(jù)處理，采用DMA中斷方式，保證采集數(shù)據(jù)能夠快速得到處理。

各個任務利用uCosII提供的消息隊列機制循環(huán)處理上位機命令和鍵盤命令。消息任務中設置消息處理函數(shù)，根據(jù)命令不同，通知數(shù)據(jù)處理任務處理數(shù)據(jù)，通知SD卡任務備份數(shù)據(jù)，以及將GPS加入至輻射測量數(shù)據(jù)等。鍵盤掃描任務進行用戶指令的識別，將其發(fā)送到消息處理任務；LCD顯示任務完成輻射數(shù)據(jù)譜線及相關參數(shù)的顯示。

SD卡數(shù)據(jù)存儲采用開源的FAT32文件系統(tǒng)包FATFS0.07C完成，SD卡數(shù)據(jù)任務運行時首先進行文件系統(tǒng)的相關結(jié)構(gòu)體初始化，然后響應按鍵指令后將測量數(shù)據(jù)采用定期或非定期寫入，以后后續(xù)使用進行翻查[6]。USB數(shù)據(jù)傳輸任務響應上位機指令，將實時數(shù)據(jù)或從SD卡讀取歷史數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

在STM32[7]上電復位后，首先進行設備自檢，硬件設備無誤后啟動操作系統(tǒng)并創(chuàng)建任務，開始運行應用程序。

4 結(jié) 論

通過實地使用，實測137Cs放射源能譜很清楚看出137Cs發(fā)出的全能峰、康普頓峰和反射峰。其能量分辨率達到10%左右。

該系統(tǒng)其他技術參數(shù)為：γ射線能量分析范圍為20 keV～3.0 MeV，連續(xù)測量數(shù)據(jù)符合放射性統(tǒng)計漲落規(guī)律，使用NAI探測器時，整機功耗為小于990 mW，實測USB最大傳輸速率為1 Mbps，在核輻射現(xiàn)場測量中有較好的應用前景。

[1]劉龍，張云翠，郭景福.用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)中子廳監(jiān)測[J].核電子學與探測技術，2009（7）:892-894.

LIU Long，ZHANG Yun-cui，GUO Jing-fu.Monitor system for neutron room based on embedded system[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2009（7）:892-894.

[2]熊建平，陳軍，朱文凱.核輻射與有害氣體監(jiān)測儀設計[J].核電子學與探測技術，2006（11）:835-837.

XIONG Jian-ping，CHEN Jun，ZHU Wen-kai.Designof instrument for monitoring nuclear radiation and baneful gas[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2006（11）:835-837.

[3]熊建平.基于單片機的核輻射監(jiān)測儀[J].核電子學與探測技術，1999（1）:63-65.

XIONG Jian-ping.Nuclear radiation monitor based on Single-Chip microcomputer[J].Nuclear Electronics& Detection Technology，1999（1）:63-65.

[4]王春生，馬英杰，韓鋒.基于ARM-?C/OS-Ⅱ的核數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].核電子學與探測技術，2008，28（1）:72-75.

WANG Chun-sheng，MA Ying-jie，HAN Feng.The nuclear data collecting system designed with ARM and?C/OS-Ⅱ[J].Nuclear Electronics&Detection Technology， 2008，28（1）:72-75.

[5]賴萬昌，葛良全，吳永鵬，等.新型便攜式微機多道γ能譜儀的研制[J].核電子學與探測技術，2004，24（1）:37.

LAIWan-chang，GE Liang-quan，WU Yong-peng，etal.Measurements of the anistopyic distribution on the DPF device[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2004，24（1）:37.

[6]孫啟富，孫運強，姚愛琴，等.基于STM32的通用智能儀表設計與應用[J].儀表技術與傳感器，2010，10:42-45.

SUN Qi-fu，SUN Yun-qiang，YAO Ai-qin，et al.Design and application of general intelligent instrument based on STM32[J].Instrument Technique and Sensor，2010（10）:42-45.

[7]夏駿，王甜.基于STM32和GSM的遠程遙控定時開關裝置[J].電子科技，2013（1）:112-114，130.

XIA Jun，WANG Tian.Remote control timer switch device based on the STM32 and GSM[J].Electronic Science and Technology，2013（1）:112-114，130.