基于PIC和FreeRTOS的輻射劑量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯躍新，肖丹，楊斌，李鋼，李巖

（1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱150010；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱150020）

基于PIC和FreeRTOS的輻射劑量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯躍新1，2，肖丹1，2，楊斌1，李鋼1，李巖1

（1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱150010；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱150020）

為了滿足輻射劑量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)男枨螅O(shè)計(jì)了基于PIC內(nèi)核和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)。采用PIC24系列單片機(jī)為內(nèi)核的PIC24FJ128GA106微控制器和中興的GPRS模塊Me3000等進(jìn)行相關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)，通過移植FreeRTOS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對(duì)蓋革計(jì)數(shù)管的數(shù)據(jù)采集、GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)的調(diào)度和對(duì)其他硬件資源的管理，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，優(yōu)化了軟件編程，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，降低了成本。

PIC；輻射劑量；FreeRTOS；實(shí)時(shí)

核技術(shù)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，目前已日漸成熟，被廣泛地應(yīng)用于核能、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，并在各行各業(yè)發(fā)揮著不可替代的作用。然而，核技術(shù)是一把雙刃劍，在給我們帶來巨大實(shí)惠的同時(shí)，也給我們的生產(chǎn)生活帶來一定的隱患。從1998年以來，平均每年都有數(shù)十起放射事故。輻射劑量監(jiān)測(cè)作為核技術(shù)的安全應(yīng)用基本保障之一，越來越引起人們廣泛關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，輻射劑量監(jiān)測(cè)已經(jīng)由原始的人工監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程有線監(jiān)測(cè)，發(fā)展到現(xiàn)在的無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程通知等功能都需要在同一時(shí)間完成，這樣才能保證監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，對(duì)突發(fā)事件做出及時(shí)響應(yīng)。因此，本文利用PIC系列單片機(jī)，結(jié)合FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射劑量的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

輻射劑量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用蓋革計(jì)數(shù)管或閃爍探測(cè)器的輻射劑量探測(cè)傳感器對(duì)射線劑量進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過GPRS等遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將分析結(jié)果傳送至上級(jí)監(jiān)控中心，并可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事件做出相應(yīng)的預(yù)警。該系統(tǒng)由嵌入式PIC單片機(jī)、輻射探測(cè)器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPS定位模塊等組成。該系統(tǒng)整體方案［1-2］如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體方案圖Fig1.The system block diagram

本系統(tǒng)選用PIC24FJ128GA106微控制器，該系列控制器是一款集成了一個(gè)完整模擬信號(hào)鏈的模擬片上系統(tǒng)，其中包括Microchip有史以來首個(gè)片上高精度16位ADC及10 Msps的12位ADC；還有一個(gè)DAC、兩個(gè)運(yùn)算放大器(運(yùn)放)，并具備能夠延長(zhǎng)便攜式醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用電池壽命的超低功耗技術(shù)(XLP)。與多芯片實(shí)現(xiàn)相比，大大降低了成本，有助于實(shí)現(xiàn)更低噪聲、更快吞吐量和更小PCB尺寸設(shè)計(jì)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1GPRS模塊選型及與微控制器的接口設(shè)計(jì)

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)用性角度考慮，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文選用中興公司的ME3000作為無線GPRS傳輸模塊，該模塊是新一代GSM通信模塊，支持端對(duì)端、端對(duì)用戶的通信方式，支持SMS、GPRS等數(shù)據(jù)傳輸和語音呼叫。模塊提供了非常完整的使用接口，包括兩路串行數(shù)據(jù)通信接口、SIM卡接口。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，串口支持GSM07.10協(xié)議，波特率可調(diào)。默認(rèn)AT指令的波特率為115 200kbps。

ME3000模塊輸出IO電平為2.9V TTL，與標(biāo)準(zhǔn)3.3V或5V邏輯電路連接時(shí)，需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，圖2所示為串口電平轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可直接與微控制器連接。

圖2　Me3000電平轉(zhuǎn)換接口電路Fig 2.Me3000 level switch interface circuit

2.2劑量探測(cè)及接口電路

在設(shè)計(jì)中，劑量探測(cè)器采用蓋革計(jì)數(shù)管，選用高精度高穩(wěn)定性的高壓模塊為計(jì)數(shù)管提供其正常工作的電壓。計(jì)數(shù)信號(hào)由計(jì)數(shù)管陰極取出，經(jīng)濾波隔離甄別之后送至施密特觸發(fā)器4528進(jìn)行信號(hào)整形處理，最后計(jì)數(shù)脈沖由單片機(jī)收集處理。如圖3所示。

從電路中我們可以看出，陰極信號(hào)需要經(jīng)過阻容濾波處理，信號(hào)放大整形之后才可被采集處理。計(jì)數(shù)管陰極信號(hào)輸出不超過10V。

圖3　計(jì)數(shù)管陰極信號(hào)取出電路Fig 3.Counter cathode signal circuit

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1FreeRTOS在PIC24上的移植

FreeRTOS是一款輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，主要功能包括［3］：任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理、消息隊(duì)列、信號(hào)量等，具備小系統(tǒng)運(yùn)行的基本要素。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，任務(wù)根據(jù)級(jí)別被劃分為不同的優(yōu)先級(jí)，處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)總是被優(yōu)先運(yùn)行。同時(shí)利用輪換調(diào)度算法，對(duì)相同的優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)行管理，在沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)間。

FreeRTOS支持MICROCHIP公司的芯片PIC24系列芯片，所以PIC24FJ128GA106在移植FreeRTOS時(shí)，可以根據(jù)官方函數(shù)庫做少許修改即可實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)行，并通過添加任務(wù)，修改優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作。在移植過程中主要修改portmacro.h、FreeRTOSConfig.h和list.c三個(gè)文件，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)類型的定義、設(shè)置處理器頻率、心跳次數(shù)、遞歸互斥功能、計(jì)數(shù)器型信號(hào)量功能、改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級(jí)、協(xié)程公用堆棧等。

3.2任務(wù)的創(chuàng)建與調(diào)度

在頭文件task.h中，portBASE_TYPE xTaskCreate函數(shù)負(fù)責(zé)任務(wù)的創(chuàng)建，實(shí)際上，任務(wù)是一個(gè)死循環(huán)，即永遠(yuǎn)不會(huì)退出的C函數(shù)。在該函數(shù)中主要完成對(duì)任務(wù)名、?？臻g和優(yōu)先級(jí)等進(jìn)行基本設(shè)置，一般優(yōu)先級(jí)的取值范圍可以從最低優(yōu)先級(jí)0到最高優(yōu)先級(jí)(configMAX_PRIORITIES-1)。

4　結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了以PIC24FJ128GA106單片機(jī)為主控制器，嵌入FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)射線劑量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的硬件得到簡(jiǎn)化，且便于系統(tǒng)改進(jìn)升級(jí)，以及外設(shè)的擴(kuò)展。同時(shí)，嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，簡(jiǎn)化了編程。該設(shè)計(jì)滿足了人們對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求，對(duì)放射源等射線裝置的安全利用提供了一定的保障。

［1］宋華魯，閆銀發(fā)，張世福，等.基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：103-109.

［2］呂成興，劉軍禮，劉波，等.基于Contex-M3和FreeRTOS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)水運(yùn)，2011，11（12）：86-87.

［3］BARRY R..Using the FreeRTOS real time kernel［EB/OL］.（2011-01-08）［2015-04-23］.http://www.FreeRTOS.org/Documenttation.

Design of real?time monitoring system for radiation dose based on PIC and FreeRTOS

HOUYue-xin1,2,XIAODan1,2,YANGBin1,LI Gang1,LI Yan1
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150010,China;
2.Institute ofAdvanced Technology,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150020,China)

Asystemofdata acquisition and remote wireless transmission based on PICkernel and embedded FreeRTOSwas designed,in order to meet the needs ofreal?time monitoring system for radiation dose.The related hardware circuits were designed by using PIC24FJ128GA106 micro controller which consisted of PIC24 core and ME3000.It achieved management of hardware resources and schedule of some tasks through transplant FreeRTOS.This system simplified the complexity of hardware design,optimized software performance,improved reliability of the systemand reduced costs.

PIC;radiation dose;FreeRTOS;real-time

TP277

A

1674-8646（2015）09-0042-02

2015-06-25

侯躍新（1960-），男，黑龍江哈爾濱人，研究員，學(xué)士，從事核探測(cè)及核電子學(xué)研究。