基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監(jiān)測系統(tǒng)研制

張 力，王 磊，羅 勇，成 毅，柳炳琦

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監(jiān)測系統(tǒng)研制

張 力，王 磊，羅 勇，成 毅，柳炳琦

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059）

提出一種基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方法。以STM32F103作為核心控制器，利用能譜轉(zhuǎn)化函數(shù)G（E），將測得的能譜直接換算成劑量，并通過CAN總線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多個監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)測主機的數(shù)據(jù)通信，解決輻射信號的采集與調(diào)理、劑量率轉(zhuǎn)化、CAN組網(wǎng)等問題。測試結(jié)果表明：該監(jiān)測系統(tǒng)具有通信可靠、抗干擾能力強、準確度高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)γ核輻射引起污染傷害的快速評估。

輻射監(jiān)測；STM32；G（E）函數(shù)；CAN總線

0 引 言

在核輻射監(jiān)測和預(yù)警領(lǐng)域，需對γ輻射劑量率進行實時監(jiān)測，對輻射異常及時告警[1-2]。隨著核設(shè)施的不斷建設(shè)與核應(yīng)用的日益廣泛，傳統(tǒng)的點對點核輻射監(jiān)測已不能滿足高效、實時的要求，而近些年興起的多節(jié)點輻射監(jiān)測方式能迅速、準確地進行遠程監(jiān)控[3-4]。鑒于此，本文采用STM32作為節(jié)點控制器，結(jié)合CAN收發(fā)器，利用CAN總線組網(wǎng)實現(xiàn)γ放射性輻射監(jiān)測[5-6]，解決信號的采集、處理與信號傳輸?shù)葐栴}。

1 總體方案設(shè)計

如圖1為γ放射性輻射監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖，由監(jiān)測主機和監(jiān)測節(jié)點組成。監(jiān)測主機實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)接收、TFT液晶顯示和聲音報警，監(jiān)測節(jié)點完成信號采集、信號處理和數(shù)據(jù)發(fā)送。

為滿足系統(tǒng)實時性和便攜性的要求，監(jiān)測節(jié)點采用了NAI探測器、高壓模塊、信號調(diào)理電路集成于一體的設(shè)計方案。設(shè)計框圖如圖2所示，NAI探測器與信號調(diào)理電路構(gòu)成信號的采集、整形部分，STM32控制器完成劑量率的轉(zhuǎn)換，并將γ輻射強度顯示在TFT屏幕上進行現(xiàn)場監(jiān)控，同時，利用CAN總線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點與監(jiān)測主機的實時數(shù)據(jù)通信。

圖1 總體方案設(shè)計框圖

圖2 監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括了電源模塊、信號調(diào)理電路和CAN收發(fā)器3部分。電源模塊為電路各部分提供不同電壓，信號調(diào)理電路保證了可計數(shù)方波信號的可靠獲取，CAN收發(fā)器實現(xiàn)監(jiān)測主機與節(jié)點的實時通信。

2.1 電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)電路所需電壓分別為12 V的信號調(diào)理電路電壓、3.3V的核心控制器電壓與5V的運算放大器電壓。為提高電路的精確性與穩(wěn)定性，選取了TI公司的正向穩(wěn)壓芯片LM1085IT進行電路電壓轉(zhuǎn)換，具體電路如圖3所示。該芯片內(nèi)置基準電壓源和電流限制電路，能夠調(diào)整電路恒定電流，并為電路提供穩(wěn)定電壓。

圖3 LM1085IT穩(wěn)壓電路

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

核信號的精確采樣在核輻射監(jiān)測中至關(guān)重要，幅度與寬度穩(wěn)定的脈沖信號可以確保系統(tǒng)能夠準確獲取探測器對不同射線的能量響應(yīng)。對此，本系統(tǒng)采用低噪聲、高帶寬的雙端運算放大器NE5532對信號調(diào)理電路進行了具體設(shè)計，如圖4所示，主要由電阻調(diào)節(jié)放大增益，通過電壓比較器LM311進行信號鑒別，并輸出可測量的方波信號。

圖4 信號調(diào)理電路

2.3 CAN收發(fā)器設(shè)計

如圖5所示為CAN收發(fā)器接口電路圖，選取帶隔離的高速集成TJA1050芯片作為CAN收發(fā)器，其中RS為工作模式選擇引腳，當(dāng)設(shè)置為高電平模式時可防止CAN收發(fā)器失控造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞現(xiàn)象。通過設(shè)置J5可方便于增加負載，減少回波反射，達到避免高頻信號在傳輸終端形成的反射波干擾原信號的效果。

圖5 CAN收發(fā)器接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 G（E）函數(shù)法

能譜劑量轉(zhuǎn)換函數(shù)（G（E）函數(shù)）是一種通過對能譜進行加權(quán)處理來調(diào)整儀器能量響應(yīng)的方法[7-8]，此方法可將γ輻射劑量轉(zhuǎn)換為與脈沖計數(shù)個數(shù)有關(guān)的函數(shù)，從而避免因探測器對不同能量射線響應(yīng)差異而帶來的誤差[9-11]。因此，本文采用對能譜范圍內(nèi)沉積能量求和的方法獲得γ輻射劑量率，并通過最小二乘法計算由標準點源對探測器進行能量刻度的能譜求出G（E）函數(shù)中的權(quán)重值，其表示式為

式中：i——能譜道數(shù)；

F（Ei）——能譜中能量為Ei的道所對應(yīng)的計數(shù)；

G（Ei）——該道所對應(yīng)的G（E）函數(shù)權(quán)重值。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點程序設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送主要是利用CAN總線通信實現(xiàn)，CAN總線通信的穩(wěn)定性直接關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)的精確性。因此，設(shè)計采用兩種監(jiān)測機制先后對發(fā)送數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，防止數(shù)據(jù)的丟失與遺漏。首先，通過報文發(fā)送檢查判定當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，并在確認數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，由掛起報文量進一步排除數(shù)據(jù)遺漏的可能。當(dāng)兩種檢測完成后，監(jiān)測節(jié)點通知監(jiān)測主機數(shù)據(jù)發(fā)送成功，并回到等待觸發(fā)中斷狀態(tài)。具體流程圖如圖6所示，系統(tǒng)對內(nèi)部配置與CAN控制器進行初始化后，打開外部中斷接受方波信號，并通過G（E）函數(shù)法進行劑量率轉(zhuǎn)換獲得γ輻射劑量率。之后由上述兩種檢測機制確保數(shù)據(jù)的傳輸。

圖6 監(jiān)測節(jié)點程序設(shè)計流程圖

3.3 系統(tǒng)監(jiān)測主機程序設(shè)計

監(jiān)測主機的初始化與監(jiān)測節(jié)點基本一致，通過使CAN接收中斷打開CAN控制器進行數(shù)據(jù)通信，但考慮到數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能存在丟失問題，程序設(shè)計采用了異或校驗的方式確保監(jiān)測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性，同時，一旦γ輻射劑量超過警戒閥值，監(jiān)測主機將自動實施報警，具體流程圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)測主機程序設(shè)計流程圖

4 性能測試與分析

根據(jù)上述設(shè)計思想完成了γ放射性輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，并對儀器的性能進行了測試和分析。

通過比較系統(tǒng)監(jiān)測值與電離室測量結(jié)果，從而對儀器進行線性度測試（其中儀器測量值不包括宇宙射線劑量），結(jié)果如表1所示，儀器的監(jiān)測值隨能量增加而變化，且與電離室測量結(jié)果基本成線性關(guān)系。

表1 儀器線性測試 nGy/h

系統(tǒng)的重復(fù)性檢定結(jié)果如表2所示，通過對137Cs與60Co分別進行多次測量得出，系統(tǒng)的標準偏差σ=0.08，相對標準偏差為0.1%，誤差完全在允許范圍以內(nèi)。

表2 儀器重復(fù)性測驗 nGy/h

由實驗結(jié)果可知，系統(tǒng)線性度良好，且連續(xù)監(jiān)測誤差較小，儀器性能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，重點描述了CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)方式、劑量率轉(zhuǎn)換方法以及其他模塊的設(shè)計。該設(shè)計方案巧妙地將信號的采集、處理與數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合并可以通過外掛監(jiān)測節(jié)點的方式，實現(xiàn)區(qū)域γ放射性輻射監(jiān)測，可應(yīng)用于核設(shè)施周圍環(huán)境監(jiān)測與日常人居環(huán)境監(jiān)測，能夠有效預(yù)防核輻射對人群的傷害。

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Design of γ-ray radiation monitoring system based on STM32 and CAN bus

ZHANG Li，WANG Lei，LUO Yong，CHENG Yi，LIU Bingqi
（College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

A kind of design for γ-ray radiation monitoring system based on the STM32 and CANBus was represented.The design took STM32F103 as a core controller，making use of theG（E）function to transfer the entire obtained weighted spectrum to the radiation dose directly，CAN Bus technology was used to implement data communication among several monitor nodes and the monitor host.The system solved the problems of the acquisition and regulation of radioactive signal，the conversion of does.The benefit of radiation monitoring system was to make it more stable for the anti-interference capability and advantageous to quickly evaluate the damage caused by the γ-ray radiation.

radiation monitoring；STM32；G（E）function；CAN bus

A

：1674-5124（2015）05-0067-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.017

2014-11-14；

：2015-01-09

國家自然科學(xué)基金青年基金（41104118）國家杰出青年科學(xué)基金（41925015）

張 力（1990-），男，四川成都市人，碩士研究生，專業(yè)方向為測試計量技術(shù)及儀器。