基于STM32F407的便攜式多道α能譜測(cè)氡儀的設(shè)計(jì)

魏烈祥 汪天照 張 晶 廖 輝 秦家寶

(湖北方圓環(huán)?？萍加邢薰?湖北 武漢430074)

1 概述

我們?nèi)粘Ｉ钪械目諝?、水、室?nèi)環(huán)境中的裝飾裝修材料和室內(nèi)地下土壤中都有放射性有毒氣體-氡氣的析出,世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)為氡氣是繼吸煙后的第二大肺癌致病因素,為防護(hù)其對(duì)人體的傷害,必須準(zhǔn)確檢測(cè)氡氣及子體濃度。隨著核電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外涌現(xiàn)出各種基于模擬和數(shù)字技術(shù)的氡及子體檢測(cè)儀器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn),本文結(jié)合模擬電路和數(shù)字高速采樣尋峰技術(shù),研制出基于STM32F407的便攜式多道α能譜測(cè)氡儀,摒棄了傳統(tǒng)的脈沖幅度甄別電路、閾值調(diào)節(jié)電路和脈沖峰值保持電路,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比高、α粒子計(jì)數(shù)通過率高,探測(cè)效率得到很大提升。

2 工作原理

如圖1所示,在氣泵作用下,被測(cè)氣體經(jīng)過干燥器,將濕度控制在10%RH以下,經(jīng)過濾器過濾掉氣體中固態(tài)雜質(zhì)及氡氣衰變子體,進(jìn)入靜電收集腔。在高壓靜電場(chǎng)的作用下,帶正電的氡氣衰變子體Po218、Po216、Po214吸附在探測(cè)器薄膜上,這些衰變子體進(jìn)一步衰變產(chǎn)生不同能量的α粒子,這些α粒子作用在探測(cè)器上電離產(chǎn)生電荷,經(jīng)前置放大器產(chǎn)生不同幅度的電脈沖信號(hào),該信號(hào)經(jīng)整形放大、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理形成相應(yīng)α粒子譜線數(shù)據(jù),根據(jù)譜線數(shù)據(jù)計(jì)算出所測(cè)樣品的氡氣濃度。

圖1 系統(tǒng)組成

3 硬件設(shè)計(jì)

本儀器采用半導(dǎo)體探測(cè)器,探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)前置放大電路,濾波成形放大電路,將探測(cè)器輸出的指數(shù)尖峰脈沖信號(hào)放大、整形,送到STM32F407內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換通道,經(jīng)過三重ADC+DMA模式高速采樣,采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到環(huán)形緩沖區(qū)。采用STM32F407內(nèi)部模擬看門狗監(jiān)控被測(cè)模擬通道,進(jìn)行峰值甄別。對(duì)甄別的數(shù)據(jù)濾波并尋峰處理,將峰值數(shù)據(jù)作為道址在相應(yīng)256道中計(jì)數(shù),作為256道譜線數(shù)據(jù),根據(jù)譜線數(shù)據(jù)計(jì)算出氡氣的濃度,將256道譜線及計(jì)算結(jié)果保存在存儲(chǔ)器中,在液晶中顯示,并通過串口通信傳送到后臺(tái)解譜軟件,如圖2所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用ARM公司RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本測(cè)氡儀設(shè)計(jì)有空氣氡測(cè)量、土壤中氡測(cè)量、水中氡測(cè)量、析出率測(cè)量、釷射氣測(cè)量和抓取測(cè)量六種測(cè)量模式,可測(cè)量空氣、水和土壤等氡氣的濃度。軟件設(shè)計(jì)采用優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片循環(huán)調(diào)度兩種調(diào)度算法實(shí)現(xiàn),實(shí)時(shí)任務(wù)劃分為:系統(tǒng)初始化任務(wù)、鍵盤掃描任務(wù)、鍵盤處理任務(wù)、顯示任務(wù)、打印任務(wù)、串口通信任務(wù)和環(huán)境信息采集任務(wù)。每個(gè)任務(wù)根據(jù)需求采用不同的優(yōu)先級(jí),在并行處理的基礎(chǔ)上滿足儀器實(shí)時(shí)性要求。脈沖甄別、數(shù)據(jù)采集、濾波和數(shù)據(jù)處理在模擬看門狗中斷服務(wù)程序中完成。

4.1 系統(tǒng)初始化任務(wù)

系統(tǒng)初始化任務(wù)包括:控制端口初始化,片內(nèi)A/D初始化為三重規(guī)則交替模式+DMA傳輸,串口通信初始化,液晶顯示初始化,讀取FLASH內(nèi)保存的參數(shù)及校驗(yàn),打印機(jī)初始化,溫濕度傳感器初始化,氣泵和高壓輸出初始化,創(chuàng)建如下任務(wù):鍵盤掃描任務(wù)、鍵盤處理任務(wù)、顯示任務(wù)、打印任務(wù)、串口通信任務(wù)和環(huán)境信息采集任務(wù),最后刪除本系統(tǒng)初始化任務(wù)。本任務(wù)在操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建,在軟件設(shè)計(jì)時(shí)只執(zhí)行一次。

4.2 模擬看門狗中斷服務(wù)程序

模擬看門狗中斷服務(wù)程序就是根據(jù)測(cè)氡儀對(duì)α粒子的脈沖幅度閾值要求動(dòng)態(tài)設(shè)置模擬看門狗上下限閾值,完成脈沖幅度甄別和閾值調(diào)節(jié),并對(duì)采樣的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、尋峰和多道譜線數(shù)據(jù)計(jì)數(shù),如圖3所示。

圖3 模擬看門狗中斷服務(wù)程序流程圖

4.3 鍵盤掃描任務(wù)

實(shí)時(shí)檢測(cè)觸摸屏按鍵信息,有按鍵操作則向鍵盤處理任務(wù)發(fā)送按鍵消息。

4.4 鍵盤處理任務(wù)

等待鍵盤掃描任務(wù)按鍵消息,一旦接收到鍵盤掃描任務(wù)的消息,則根據(jù)消息進(jìn)行解析和處理。

4.5 顯示任務(wù)

根據(jù)測(cè)氡儀運(yùn)行情況,在觸摸屏上顯示相應(yīng)內(nèi)容。每200ms刷新一次。

4.6 打印任務(wù)

等待打印命令消息,一旦接收到打印消息,則打印相應(yīng)的測(cè)量記錄。

4.7 串口通信任務(wù)

等待串口通信消息,當(dāng)收到上位機(jī)解譜軟件發(fā)送消息命令,根據(jù)通信協(xié)議響應(yīng)相應(yīng)消息命令,解析并處理。

4.8 環(huán)境信息采集任務(wù)

采集靜電收集腔內(nèi)溫濕度信息。每1秒鐘采集一次。

4.9 測(cè)量任務(wù)

如圖4所示,控制氣泵,抽取樣品到靜電收集腔,根據(jù)不同測(cè)量模式、取樣時(shí)間、靜置時(shí)間、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量次數(shù)來控制氣泵的運(yùn)行和高壓的加載,得到每次測(cè)量的譜線數(shù)據(jù),并根據(jù)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量環(huán)境信息計(jì)算出每次測(cè)量的氡濃度。

圖4 測(cè)量任務(wù)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)

探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路形成寬度約15us,峰頂寬度約1us的脈沖模擬信號(hào),送到STM32F407內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。三重ADC最小采樣周期可達(dá)120ns,可以對(duì)脈沖峰頂有效采集8次。本設(shè)計(jì)的測(cè)氡儀與國際知名品牌RAD7測(cè)氡儀對(duì)比土壤氡濃度測(cè)試,通過先抽取土壤中氡氣,兩臺(tái)儀器濃度值穩(wěn)定后,停止抽氣,連續(xù)測(cè)量180次,每次測(cè)量時(shí)間為5分鐘的對(duì)比測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,如圖5所示。另外用信號(hào)發(fā)生器模擬測(cè)試,計(jì)數(shù)通過率可高達(dá)3600kcpm。

圖5 土壤氡濃度對(duì)比測(cè)量

結(jié)束語

由于采用了STM32F407的高性能ADC,使得探測(cè)器輸出信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單、信噪比提高、抗干擾性能好、脈沖計(jì)數(shù)通過率高；采用ARM公司的RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),使得程序設(shè)計(jì)靈活,修改、升級(jí)方便。