基于藍(lán)牙4.0的微型核輻射劑量計(jì)設(shè)計(jì)

高 超，盧亮亮，曹劍鋒

(1.中國(guó)人民解放軍防化學(xué)院，北京 102205； 2.探月與航天工程中心，北京 100037)

基于藍(lán)牙4.0的微型核輻射劑量計(jì)設(shè)計(jì)

高 超1，盧亮亮2，曹劍鋒1

(1.中國(guó)人民解放軍防化學(xué)院，北京 102205； 2.探月與航天工程中心，北京 100037)

針對(duì)目前個(gè)人核輻射劑量監(jiān)測(cè)手段便攜性差、實(shí)時(shí)性較差和持續(xù)監(jiān)測(cè)能力不足等問題，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙4.0模塊的微型低功耗核輻射劑量計(jì);系統(tǒng)使用計(jì)數(shù)管探測(cè)輻射粒子，充分利用了MSP430混合信號(hào)處理器和藍(lán)牙4.0模塊的低功耗特性，體積小巧、續(xù)航能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠;該劑量計(jì)配合手機(jī)APP即可單獨(dú)使用，又可多臺(tái)組網(wǎng)使用，可為人員提供持續(xù)可靠地實(shí)時(shí)劑量率監(jiān)測(cè)和個(gè)人劑量分析，在核工業(yè)及核醫(yī)學(xué)個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

劑量率；核輻射監(jiān)測(cè)；低功耗；藍(lán)牙4.0

0 引言

核輻射射線作用于生物機(jī)體，輻射能量被機(jī)體吸收，引起生物機(jī)體電離或激發(fā)，使機(jī)體中的生物大分子的結(jié)構(gòu)破壞，影響組織或器官的正常功能，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)體死亡[1]。準(zhǔn)確及時(shí)的輻射劑量率測(cè)量，不僅能夠?yàn)檩椛洵h(huán)境從業(yè)人員提供科學(xué)的防護(hù)依據(jù)，還可以在發(fā)生核泄漏、放射性污染等緊急事故時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，減少人員傷亡。目前的輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備主要針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、核素識(shí)別等運(yùn)用領(lǐng)域，普遍存在價(jià)格昂貴，使用攜帶不便等問題。針對(duì)輻射環(huán)境從業(yè)人員個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)需要，本文使用氣體計(jì)數(shù)管，以MSP430單片機(jī)為核心配合藍(lán)牙4.0模塊設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量實(shí)時(shí)劑量率、分析歷史輻射劑量的便攜式低功耗低成本個(gè)人輻射劑量設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微型低功耗核輻射劑量計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)有射線粒子進(jìn)入計(jì)數(shù)管產(chǎn)生脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形電路處理形成數(shù)字脈沖信號(hào)，單片機(jī)對(duì)該脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按一定的時(shí)間周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。單片機(jī)測(cè)得的計(jì)數(shù)通過(guò)藍(lán)牙4.0模塊發(fā)送到智能手機(jī)，由APP計(jì)算得出實(shí)時(shí)劑量率。單片機(jī)還完成接收手機(jī)指令，調(diào)整工作參數(shù)，監(jiān)測(cè)電池電量等功能。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置等功能由手機(jī)APP完成，基于手機(jī)APP的輻射劑量率監(jiān)控管理系統(tǒng)不在本論文討論范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選型及資源分配

單片機(jī)選用MSP430F149可以在滿足硬件需求的前提下充分降低功耗和成本。單片機(jī)資源及管腳分配如圖2所示。2個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器TA作為計(jì)時(shí)器產(chǎn)生周期中斷對(duì)單片機(jī)進(jìn)行喚醒，同時(shí)為ADC12提供采樣/保持脈沖；TB作為計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘輸入端口接放大整形電路輸出的脈沖信號(hào)；UART0作為藍(lán)牙BLE模塊的通訊接口； 1個(gè)8/12位ADC用于電池電量信息采集[2]。

圖2 單片機(jī)管腳分配原理圖

2.2 計(jì)數(shù)管及放大整形電路

計(jì)數(shù)管工作時(shí)，陽(yáng)極上由高壓電源Vout供給400伏以上高壓，當(dāng)射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生的電子漂移到中心絲附近時(shí)，漂移過(guò)程中獲得的能量進(jìn)一步電離與之碰撞的氣體，最后收集到的離子對(duì)總電荷量與射線粒子產(chǎn)生的原始電荷量Q成正比，其比例系數(shù)M由高壓Vout決定。電離產(chǎn)生的電子中和了陽(yáng)極上一部分電荷，使陽(yáng)極電位降低，隨后高壓電源又通過(guò)電阻R向計(jì)數(shù)管充電，使陽(yáng)極電位恢復(fù)，由此在陽(yáng)極上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電壓脈沖[3]。由入射粒子形成的脈沖經(jīng)過(guò)放大整形后送入單片機(jī)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端口完成計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)管及放大整形電路如圖3所示

圖3 計(jì)數(shù)管及放大整形電路原理圖

2.3 藍(lán)牙BLE模塊

本設(shè)計(jì)采用的藍(lán)牙4.0BLE模塊主芯片為CC2540，功率等級(jí)II級(jí)，典型發(fā)射功率0 dBm，典型接收靈敏度-88 dB，最大接收靈敏度-94 dB，板載天線，具有超低功耗、尺寸小巧，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[4]。使用該模塊降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度、體積、功耗和成本，縮短了開發(fā)時(shí)間和開發(fā)難度，其原理如圖4所示[5]。場(chǎng)效應(yīng)管SI2333由單片機(jī)控制，用于開/關(guān)藍(lán)牙模塊電源，當(dāng)控制管腳為低電平時(shí)為藍(lán)牙模塊供電，為高電平時(shí)斷電；藍(lán)牙模式控制端口接單片機(jī)P3.0，藍(lán)牙鏈接狀態(tài)端口Link接單片機(jī)P3.1，當(dāng)藍(lán)牙模塊與其它設(shè)備建立鏈接時(shí)P3.1端口被置為高電平，當(dāng)藍(lán)牙模塊為鏈接狀態(tài)時(shí)可以通過(guò)拉低P3.0將其強(qiáng)制工作在AT模式下；與單片機(jī)通訊的數(shù)據(jù)通過(guò)UTX,URX傳輸。

圖4 藍(lán)牙模塊電路原理圖

2.4 電源管理電路及低功耗設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀采用可充電電池供電，并通過(guò)MicroUSB端口為其充電。電池電壓經(jīng)1/2分壓后接A1端口，用于電量監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)中ADC工作在12位轉(zhuǎn)換模式，采用單信號(hào)通道重復(fù)采樣，由TA.out1提供采樣觸發(fā)脈沖。參考電壓為內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓VREF+，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由ACLK提供，電源及電池監(jiān)測(cè)電路如圖5所示。

受外形尺寸約束，對(duì)電池的體積與電量有較大限制，頻繁的充電會(huì)嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)，因此這類微型個(gè)人監(jiān)測(cè)設(shè)備必須采取低功耗設(shè)計(jì)。各主要模塊工作電流如表1所示。

由表1可見，主要功耗來(lái)源于藍(lán)牙、ADC12、CPU和關(guān)閉藍(lán)牙時(shí)UART0發(fā)送管腳的泄漏電流。本設(shè)計(jì)采用以下設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)功耗。

(1)單片機(jī)采用時(shí)間中斷和外部事件中斷(接收到手機(jī)指令)混合工作模式，系統(tǒng)初始化完成后立即進(jìn)入低功耗模式，等待定時(shí)器中斷或者外部事件中斷的喚醒。定時(shí)器A每秒鐘產(chǎn)生一次中斷，單片機(jī)完成計(jì)數(shù)讀取、時(shí)間更新、劑量率計(jì)算等任務(wù)后再次進(jìn)入低功耗模式；如果是外部事件(接收到手機(jī)指令)中斷，則單片機(jī)處理完該事件(指令)后進(jìn)入低功耗模式。在低功耗模式下，MCLK和SMCLK時(shí)鐘關(guān)閉，僅ACLK活動(dòng)，可以明顯降低單片機(jī)的功耗。

(2)監(jiān)測(cè)儀采用間歇廣播模式，按照預(yù)定的時(shí)間間隔廣播監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)手機(jī)需要向監(jiān)測(cè)儀發(fā)送指令時(shí)，由手機(jī)主動(dòng)發(fā)起鏈接，并發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)儀接收到數(shù)據(jù)后提取指令，執(zhí)行完后發(fā)送命令回執(zhí)并斷開藍(lán)牙鏈接，隨后進(jìn)入待機(jī)模式。經(jīng)測(cè)試，采用正常環(huán)境下每4秒鐘更新一次廣播內(nèi)容，每次廣播10 ms，在高劑量率環(huán)境下每秒鐘更新一次內(nèi)容并持續(xù)廣播的辦法，既滿足監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，也可以大大降低系統(tǒng)功耗。

(3)關(guān)閉藍(lán)牙模塊電源后，將P3.4管腳設(shè)置為I/O管腳，并輸出低電平。

(4)由于系統(tǒng)本身采用了低功耗設(shè)計(jì)電池電壓變化平緩，且CPU工作電壓范圍較寬，故每分鐘測(cè)量一次電池電壓是可以滿足電量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求的。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序流程如圖6所示。單片完成內(nèi)部資源設(shè)備和軟件參數(shù)設(shè)置的初始后，弱藍(lán)牙處于連接模式，等待接收藍(lán)牙傳輸?shù)目刂浦噶?，并完成相關(guān)操作；若處于AT模式，將電池狀態(tài)數(shù)據(jù)和脈沖計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)搭載到藍(lán)牙的設(shè)備名稱中，通過(guò)更改設(shè)備名稱更新廣播信息。如果劑量率在安全閾值以下，監(jiān)測(cè)儀每4秒鐘更新一次計(jì)數(shù)，廣播10 ms等待手機(jī)端捕獲廣播內(nèi)容，或由手機(jī)端在必要時(shí)發(fā)起鏈接；如果超過(guò)閾值則每秒中更新一次計(jì)數(shù)并持續(xù)廣播。

圖6 主程序流程圖

3.2 定時(shí)/計(jì)數(shù)器A中斷程序設(shè)計(jì)

TA由ACKL提供時(shí)鐘，每秒鐘中斷一次。TA發(fā)生中斷后單片機(jī)被喚醒，讀取計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)并清零TBR寄存器。鑒于輻射信號(hào)的隨機(jī)性特征，為了消除統(tǒng)計(jì)誤差，保證低本底條件下每秒鐘測(cè)得的劑量率依然有效，本設(shè)計(jì)以1分鐘為時(shí)間周期統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)。

中斷程序在完成計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)間更新等其它操作后清除中斷標(biāo)志位，退出LPM2模式，主程序進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3.3 UART0收發(fā)程序設(shè)計(jì)

UART0由ACLK提供時(shí)鐘信號(hào)，以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，采用中斷工作模式，工作流程如圖7～8所示。

圖7 UART0接收流程圖

圖8 UART0發(fā)送流程圖

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀寫入發(fā)送緩沖區(qū)，使能UART0發(fā)送中斷，軟件觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)送返回寫入緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)。觸發(fā)中斷處理函數(shù)中，發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)逐字節(jié)寫入發(fā)送寄存器，直至幀結(jié)束符。幀發(fā)送完畢后禁止UART0的發(fā)送中斷。如果發(fā)送中斷處于使能狀態(tài)，則表示當(dāng)前有數(shù)據(jù)未發(fā)送完，發(fā)送函數(shù)返回0。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)UART0接收中斷被觸發(fā)時(shí)，接收寄存器中的字節(jié)依次寫入FIFO接收緩沖區(qū)，如果該字節(jié)為幀結(jié)束符，則對(duì)接收幀數(shù)量加1。函數(shù)從接收緩沖區(qū)讀取幀數(shù)據(jù)時(shí)，首先清空幀緩沖區(qū)，然后判斷幀數(shù)量，如果兩次判斷均為0表示沒有可用讀取的數(shù)據(jù)，函數(shù)返回0；否則，將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)逐字節(jié)寫入幀緩沖區(qū)，直至幀結(jié)束符或接收緩沖區(qū)結(jié)尾。每幀提取結(jié)束后對(duì)接收幀數(shù)量減1，并返回幀長(zhǎng)度[6]。

3.4 數(shù)據(jù)格式

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)分為監(jiān)測(cè)儀的廣播數(shù)據(jù)和指令/應(yīng)答數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙模塊設(shè)備名稱最長(zhǎng)為20個(gè)字節(jié)，我們使用了前15個(gè)字節(jié)，其中前9個(gè)字節(jié)為實(shí)際設(shè)備名，用于手機(jī)對(duì)設(shè)備的識(shí)別；隨后2個(gè)字節(jié)為電池電量數(shù)據(jù)，最后4個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)值。

指令幀由手機(jī)發(fā)送給監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)儀執(zhí)行完指令后將執(zhí)行結(jié)果以應(yīng)答幀的形式發(fā)送給手機(jī)，幀結(jié)構(gòu)如圖9所示。幀標(biāo)志位長(zhǎng)度1字節(jié)，固定取值0xfd ；命令字占1個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)該指令功能；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位占1字節(jié)，值為幀長(zhǎng)度減去2(標(biāo)識(shí)位和長(zhǎng)度位)；幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變但不超過(guò)20個(gè)字節(jié)，主要包括指令所需的參數(shù)；校驗(yàn)位長(zhǎng)度為1字節(jié)，其值為除去結(jié)束符的所有字節(jié)依次異或值；幀結(jié)束符為兩個(gè)連續(xù)的’ ’和’ ’字符。幀命令字定義如表2所示。

幀標(biāo)識(shí)幀命令數(shù)據(jù)長(zhǎng)度幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)位幀結(jié)束

圖9 指令數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表2 指令幀主要命令字定義表

序號(hào)指令命令字1設(shè)備編號(hào)設(shè)置0x012報(bào)警閾值設(shè)置0x023時(shí)間同步0x034電池電量查詢0x04

4 測(cè)試結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸長(zhǎng)寬高分別為80 mm*20 mm*15 mm(含電池及G-M計(jì)數(shù)管)，圖10為電路部分與一節(jié)AA電池的尺寸對(duì)比情況。

劑量計(jì)平均功耗約為2 mA，使用一顆400 mAh的3.7 V鋰電池可連續(xù)工作超過(guò)120小時(shí)。在北京昌平地區(qū)室內(nèi)天然本底輻射環(huán)境下測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)約為每分鐘5～6個(gè)，經(jīng)換算后得出室內(nèi)空氣吸收劑量率為56.47～70.62 nGy/h，處于環(huán)保部2011年公布的《1983～1990年全國(guó)環(huán)境天然放射性水平調(diào)查結(jié)果》北京地區(qū)空氣吸收劑量率范圍內(nèi)，與70.00 nGy/h的平均值相近。

圖10 微型核輻射劑量計(jì)尺寸對(duì)比圖

受計(jì)數(shù)管探測(cè)效率影響，在天然本底輻射環(huán)境下測(cè)量值比實(shí)際值略低，其平均值誤差約為9.2%，小于國(guó)標(biāo)GB/T 14054-201規(guī)定的由隨機(jī)漲落產(chǎn)生的10%的變異系數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該劑量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、測(cè)量實(shí)時(shí)性好，具有低成本、便攜可靠，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。配合手機(jī)APP既可以單獨(dú)使用，也可以多個(gè)組網(wǎng)對(duì)人體關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，可以有效提高相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域從業(yè)人員的個(gè)人實(shí)時(shí)持續(xù)防化水平。

[1] 盧希庭，江棟興，葉沿林．原子核物理[M].北京：原子能出版社，2000.

[2] Texas Instruments Incorporated．MSP430X1XX Family User＇s Guide[Z].Dallas：Texas Instruments，2006.

[3] 房宗良．核電子學(xué)[M].北京：防化學(xué)院，2013.

[4] 歐陽(yáng)駿，陳子龍，黃寧淋．藍(lán)牙4.0BLE開發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[5] 深圳市藍(lán)嵌科技有限公司．CC2540/1藍(lán)牙模塊規(guī)格書[Z].深圳：深圳市藍(lán)嵌科技有限公司，2016.

[6] 謝 楷，趙 建．MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Design of Micro Nuclear Radiation Dose Rate Monitor Based on Bluetooth 4.0

Gao Chao1，Lu Liangliang2，Cao Jianfeng1

(1.Institute of NBC Defense，Beijing 102205，China； 2.Lunar Exploration and Space Engineering Center，Beijing 100037，China)

Based on MSP430 mixed signal processor and Bluetooth 4.0 module，this paper designed a micro nuclear radiation dose rate monitor to improve its portability，real time feature and the ability of continuous monitor．The system used a G-M counter to detect the radiation particles, and it was designed smart, continuous and reliably by take advantage of the Ultralow-power feature of the MSP430 and Bluetooth 4.0 module. The micro monitor could provide sustained and reliable real-time dose rate monitoring for person and personal dose analysis by using a smartphone APP either single or multiple and has wide application prospects in the field of nuclear industry and nuclear medicine personal protection.

dose rate; nuclear radiation monitor; low power: Bluetooth 4.0

2016-07-01；

2016-12-15。

高 超(1984-)，男，河北秦皇島人，工程師，碩士研究生，主要從事核輻射監(jiān)測(cè)及電子信號(hào)處理方向的研究。

盧亮亮(1989-)，男，浙江東陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，主要從事深空探測(cè)總體技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)05-0266-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.073

TP3

A