基于AVR單片機與USB接口的多道譜儀的設(shè)計

中國原子能科學(xué)研究院　吉曉梅　劉志珍　郭星辰　李瑋瑛　張培旭

基于AVR單片機與USB接口的多道譜儀的設(shè)計

中國原子能科學(xué)研究院吉曉梅劉志珍郭星辰李瑋瑛張培旭

介紹了一種基于AVR單片機和USB接口的多道譜儀，采用AVR單片機ATmega128作為主控制器，通過USB專用芯片CH372進行數(shù)據(jù)傳輸，該譜儀采集速度快，計數(shù)率高，更換不同的探測器可以實現(xiàn)不同能量范圍的譜數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集；單片機；USB

隨著核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要對核輻射及放射性核素所攜帶的信息進行測量和分析研究，以便能監(jiān)測各種輻射能量和輻射劑量，為核設(shè)施的安全運行提供數(shù)據(jù)并防止放射性物質(zhì)對人員的傷害。多道譜儀是獲取能譜數(shù)據(jù)的重要儀器，傳統(tǒng)的多道譜儀多采用NIM插件，不易使用。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，便攜、智能核儀器已成為放射性測量儀器發(fā)展的一個主導(dǎo)方向。

1　系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

系統(tǒng)主要由探測器，多道譜儀和上位機分析軟件構(gòu)成。其中多道譜儀由電源電路、高壓模塊、主放大器、數(shù)據(jù)采集電路、USB接口電路構(gòu)成。系統(tǒng)的工作原理是將探測器輸出的脈沖信號經(jīng)放大器放大成型，然后由多道譜儀區(qū)分出不同道數(shù)的脈沖數(shù)量，并將數(shù)據(jù)通過USB送給上位機，上位機軟件通過數(shù)據(jù)分析處理從而得到探測器所探測到的放射性元素的譜線。系統(tǒng)的硬件組成示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成示意圖

2　硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括了數(shù)據(jù)采集電路和USB接口電路的設(shè)計，數(shù)據(jù)采集電路主要由單片機控制在閾值范圍內(nèi)的信號通過峰值甄別保持電路，由A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行存儲，然后將數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機。

2.1數(shù)據(jù)采集電路

單片機采用的是AVR系列功能很強的ATMEGA128，其運用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令功能，即程序存儲和數(shù)據(jù)存儲具有不同的存儲器和總線。當執(zhí)行某一指令時，下一指令預(yù)先從程序存儲器中取出，程序執(zhí)行效率高。其機器周期為1個時鐘周期，絕大多數(shù)的指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時可達到16MIPS的性能，即每條指令的執(zhí)行時間僅為62.5ns。

通過ATMEGA128自帶的串行通訊接口（SPI）連接控制數(shù)字電位器，實現(xiàn)了閾值改變的自動化，即只需通過上位機軟件的操作就能改變閾值。由于ATMEGA128內(nèi)部僅含有4K的數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存儲量較小，所以擴展了一片外部數(shù)據(jù)存儲器。

正是因為ATMEGA128有豐富的外圍接口，加快了開發(fā)的速度。

由于探測器輸出的信號經(jīng)過放大器的整形放大后，峰值寬度較窄，而模擬峰值信號要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要通過A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路需要一定的時間來完成轉(zhuǎn)換，所以在轉(zhuǎn)換期間要保證模擬峰值信號的穩(wěn)定，必須將峰值展寬，以滿足ADC采樣量化。信號通過閾值篩選后分為兩路，一路給采保電路；另外一路與電壓比較器相連。峰值到達后，提供一個中斷信號給ATMEGA128；然后啟動AD轉(zhuǎn)換器進行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)存儲到外部存儲器中。

2.2USB接口電路

USB接口電路采用南京沁恒公司的CH372芯片。在本地端，CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便的掛接到單片機的系統(tǒng)總線上；在計算機系統(tǒng)中，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端單片機通訊如同讀寫文件。單片機通過8位并口對CH372進行控制讀寫，CH372工作于內(nèi)置固件模式，接收到單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)或者給單片機發(fā)送完數(shù)據(jù)后就以中斷的形式通知單片機，單片機則通過讀取中斷標志位來判斷中斷類型，然后做出相應(yīng)的控制處理。

3　USB接口軟件設(shè)計

CH372內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下，CH372自動處理默認端點0的所有事務(wù)，端點2的上傳端點作為批量數(shù)據(jù)發(fā)送端點，端點2下傳端點作為批量數(shù)據(jù)接收端點，本地端計算機只要負責(zé)數(shù)據(jù)交換，所以單片機程序非常簡潔。

程序發(fā)生中斷時，如果是USB通訊中斷則跳轉(zhuǎn)到USB中斷處理程序，先獲取中斷狀態(tài)并取消中斷請求，然后判斷是端點下傳成功（接收上位機下傳的參數(shù)設(shè)置命令）還是端點上傳成功（下位機上傳數(shù)據(jù)給上位機）。若是端點下傳成功，先從USB中斷的端點緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊，并釋放緩沖區(qū)，判斷讀取到數(shù)據(jù)塊的首位是什么命令然后進行處理。若是端點上傳成功即下位機上傳給上位機的數(shù)據(jù)上傳成功，再上傳一組數(shù)據(jù)后釋放當前USB緩沖區(qū)，中斷返回。程序流程圖見圖2。

圖2　USB中斷程序流程圖

4　采用55Fe源對譜儀進行能量分辨率標定

4.1譜儀參數(shù)

譜儀通道數(shù)為1024道，放大倍數(shù)為200倍、下閾值為30mV，上閾值5V。

4.2譜圖

圖3為測得的55Fe能量譜圖，從55Fe的道址-計數(shù)圖中（左圖）可以直觀的看到最明顯的兩個峰。進行能量刻度后（右圖），兩個峰位對應(yīng)的能量分別為5.9keV和6.4keV，在能量-計數(shù)率圖中，對5.9keV能量峰進行能量分辨率計算，得出能量分辨率為2.2%，即128.1eV。

圖3　55Fe能量譜圖

5　結(jié)論

多道譜儀利用ATMEGA128進行控制，底層軟件用于數(shù)據(jù)的采集和處理，所有數(shù)據(jù)通過USB傳送給上位機，不僅采集速率高、傳輸速度快、還具有可擴展，可靠性高等優(yōu)點，采用55Fe源測得該譜儀的能量分辨率為2.2%，即128.1eV

［1］王經(jīng)瑾，范天民，錢永庚，等.核電子學(xué)［M］.原子能出版社，1983.

［2］周志成.核電子學(xué)基礎(chǔ)［M］.原子能出版社，1986.

［3］吳治華.原子核物理實驗方法［M］.高等教育出版社，1997.

［4］CH372手冊［Z］.南京沁恒電子有限公司

吉曉梅（1981－），女，吉林白山人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：核電子技術(shù)應(yīng)用。