基于車載中控系統(tǒng)的輻射環(huán)境監(jiān)測車設(shè)計(jì)

譚煒，周建斌，洪 旭，方方

（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）

核事故對核電的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，核應(yīng)急輻射環(huán)境監(jiān)測工作是核應(yīng)急工作的重要組成部分，車載移動監(jiān)測系統(tǒng)具有機(jī)動能力強(qiáng)、反應(yīng)迅速、獲得輻射環(huán)境強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，已成為輻射環(huán)境安全監(jiān)管的重要手段[1]。

美國RSI 公司設(shè)計(jì)的RS-700 是完整的一套伽瑪射線放射性探測和監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)置了GPS 接收機(jī)，使用運(yùn)行在PC 端的RadAssist 測量軟件進(jìn)行控制、監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)。加拿大 PEI公司設(shè)計(jì)的PGIS-2 系列便攜式伽瑪光譜系統(tǒng)，用內(nèi)置GPS 導(dǎo)航，通過手持平板藍(lán)牙與設(shè)備通信，該設(shè)備體積小，可以通過手持或應(yīng)用在航空伽馬能譜領(lǐng)域。加拿大SAIC Exploranium 公司設(shè)計(jì)的GR-460 車載放射性全譜測量系統(tǒng)，將包含4 L 的NaI 探測器放入車頂，一臺512 道譜儀，內(nèi)置GPS 接收機(jī)，使用一臺軍用筆記本電腦接收數(shù)據(jù)。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制了具有GPS 定位功能的CZ-256 型多道車載伽瑪能譜測量系統(tǒng)，并及時(shí)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，取得了較好的效果。上述輻射環(huán)境監(jiān)測車方案設(shè)計(jì)思路是將完整的重量級系統(tǒng)或輕量級安裝在汽車上，布置單獨(dú)的測量儀器。探測器接入車身后可充分使用車載系統(tǒng)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，如汽車行駛姿態(tài)，車載定位，速度，里程等[2-5]。

設(shè)計(jì)一臺核輻射環(huán)境監(jiān)測車。該設(shè)備包含六個(gè)一體式NaI（TI）探測器，可以對環(huán)境中伽馬射線進(jìn)行探測。各個(gè)探測器通過CAN 總線接入車輛的中控系統(tǒng)?；谲囕v中控系統(tǒng)，編寫輻射環(huán)境監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)各探測器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。結(jié)合車輛行車定位功能，標(biāo)記實(shí)時(shí)輻射測量結(jié)果，最后繪制區(qū)域輻射水平效果圖。

1 方案及設(shè)計(jì)

核輻射監(jiān)測車基于現(xiàn)有的車輛安裝多個(gè)探測器，通過總線接入到汽車網(wǎng)絡(luò)，修改當(dāng)前車載多媒體系統(tǒng)軟件完成。設(shè)計(jì)過程包含探測器分布、CAN 總線接口、軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理四個(gè)部分。

1.1 探測器布置

如圖1 所示為探測器安裝圖，在一臺車上放置6 個(gè)一體式探測器形成多方向探測，頂部安裝4 個(gè)較小體積探測器，通過行李架安裝在頂部方向分別朝左前，右前，左后，右后，可探測4 個(gè)方向能譜，可探測不同視角，用于探測距離較遠(yuǎn)，容易被阻擋的伽馬射線。在后備箱中安裝兩個(gè)大體積一體式探測器，增加探測效率，用于探測地面的伽馬能譜。每個(gè)探測器可以獨(dú)立工作，各個(gè)探測器通過四芯線纜并聯(lián)，探測器由中控系統(tǒng)提供5 V 供電，通過CAN 總線接入到車載多媒體系統(tǒng)。如需要增加探測器，只需要將新加入的探測器的5 V 供電及CAN 總線并聯(lián)到系統(tǒng)即可。

圖1 探測器安裝圖Fig.1 Detector installation diagram

探測器選用四川新先達(dá)測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一體式智能探測器。每個(gè)探測器內(nèi)置數(shù)字多道脈沖幅度分析器（DMCA），能夠生成1 024 道能譜數(shù)據(jù)，并通過1 Mbps 速度的CAN總線接口輸出[6]。探測器內(nèi)置計(jì)數(shù)及緩存，總線的延時(shí)不會引起死時(shí)間及同步問題[7]。探測器工作電壓為5 V，平均電流約為200 mA，6個(gè)探測器同時(shí)工作功耗約6 W，車載中控電源系統(tǒng)滿足探測器的供電需求。探測器工作溫度-20～80 ℃，外殼為鋁合金屬，IPX8 級防水，能在環(huán)境較苛刻的條件下完成探測工作。探測器為圓柱形，長30 cm，直徑約為10 cm，便于在汽車上安裝，可以滿足車載監(jiān)測系統(tǒng)的探測需求。

1.2 CAN 總線接口

探測器數(shù)據(jù)通過CAN 總線接入到車身網(wǎng)絡(luò)中，車身CAN 總線在數(shù)據(jù)傳輸過程中更加穩(wěn)定可靠，使探測器與整車成為一個(gè)整體。

在汽車領(lǐng)域中，車內(nèi)有多個(gè)電控單元，如引擎控制單元，傳動控制單元，安全氣囊，ABS等都影響汽車正常行駛安全性。這些模塊單元都是單一的子系統(tǒng)，模塊之間通過CAN 總線互連，形成汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)分為不同的總線分支，每個(gè)分支連接到汽車網(wǎng)關(guān)模塊，降低車內(nèi)電子系統(tǒng)部件復(fù)雜度，增加模塊之間通信的可靠性[8]。

探測器通過車載高速CAN 總線接入到娛樂總線中，總線速度為1 Mbps。探測器與車載多媒體系統(tǒng)通過私有CAN 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，車載網(wǎng)關(guān)不處理轉(zhuǎn)發(fā)該CAN 數(shù)據(jù)，不影響整車其他網(wǎng)絡(luò)總線的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Vehicle CAN network

1.3 車載中控系統(tǒng)平臺

汽車多媒體系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電腦、PC、手機(jī)等不同，其整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要符合汽車規(guī)范的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。在硬件上需要使用符合汽車規(guī)范的電路及電子器件。在軟件上使用高度定制的軟件系統(tǒng)，在安全規(guī)范中符合汽車規(guī)范安全等級認(rèn)證，圖3 為系統(tǒng)框圖。

圖3 車載多媒體系統(tǒng)框圖Fig.3 Architecture of IVI

設(shè)計(jì)過程可以分為兩個(gè)板塊：

（1）MCU 板塊。MCU 控制著整個(gè)硬件系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)，管理電源，與各個(gè)外設(shè)通信。如方向盤按鍵，收音機(jī)控制，總線數(shù)據(jù)處理等。其中CAN 數(shù)據(jù)模塊由CAN 控制器與CAN 收發(fā)器組成，用于接收CAN 總線上的所有數(shù)據(jù)。MCU 運(yùn)行RTOS 系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，如CANTask、PowerTask，WakeupTASK，InputScanTASK，BUSTask 等，對CAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析及處理運(yùn)行在CANTask 任務(wù)中，分為私有CAN 處理，UDS 診斷及網(wǎng)絡(luò)管理。在私有CAN 數(shù)據(jù)處理中，通過CAN_ID 來識別數(shù)據(jù)來源，以區(qū)分是來自探測器還是車身其他單元。數(shù)據(jù)與CPU 交互放置在BUSTask 中，該任務(wù)會檢查緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，如果有，將數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線發(fā)送并清空緩存區(qū)域。

（2）CPU 板塊。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，用于人機(jī)交互及復(fù)雜邏輯運(yùn)算。中控系統(tǒng)擁有穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)環(huán)境，可獲取與汽車相關(guān)的數(shù)據(jù)，如汽車速度，行駛里程等車身數(shù)據(jù)。內(nèi)置車載GPS 定位模塊，可結(jié)合車身數(shù)據(jù)計(jì)算汽車的姿態(tài)及位置。CPU 運(yùn)行Android 系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬于高度定制的操作系統(tǒng)，移除部分標(biāo)準(zhǔn)Android 服務(wù)，增加了車機(jī)上所需的服務(wù)及相應(yīng)的API[9]。車機(jī)上運(yùn)行著多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程，如藍(lán)牙，收音機(jī)，視頻，圖片，倒車后視，設(shè)置等。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要工作是對當(dāng)前穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)增加或修改功能，現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。軟件設(shè)計(jì)主要可分為兩個(gè)部分。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸

如圖4 所示，對探測器數(shù)據(jù)獲取、解析、傳輸是由MCU 完成的。MCU 運(yùn)行著多個(gè)任務(wù)，對私有CAN 數(shù)據(jù)的處理在CANTask 中，在該任務(wù)邏輯中增加6 個(gè)測器探測器數(shù)據(jù)通道，收到數(shù)據(jù)后先解包，再進(jìn)行組包，最后放到發(fā)送緩存中，BUSTask 檢測到有數(shù)據(jù)需要發(fā)送后，會及時(shí)將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU。

圖4 車載多媒體軟件框圖Fig.4 Software architecture of IVI

探測器每次收到數(shù)據(jù)請求后，才會將1 024道能譜數(shù)據(jù)返回多媒體系統(tǒng)軟件?？偩€上一次只能傳輸一個(gè)探測器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對6 個(gè)探測器通過輪詢請求的方式依次獲取數(shù)據(jù)。

探測器內(nèi)置的DMCA 已將數(shù)據(jù)進(jìn)行組包。CAN 總線傳輸一幀數(shù)據(jù)為8 個(gè)字節(jié)，探測器每次返回共258 幀數(shù)據(jù)，共2 064 字節(jié)，其中8個(gè)字節(jié)為幀頭部，8 個(gè)字節(jié)為測量時(shí)間，2 048字節(jié)為1 024 道數(shù)據(jù)。

MCU 收到探測器的數(shù)據(jù)，將連續(xù)的258 幀數(shù)據(jù)放入到緩存中。為保證每次數(shù)據(jù)快速傳輸，防止數(shù)據(jù)延時(shí)，不影響車機(jī)其他功能的正常使用，系統(tǒng)規(guī)定MCU 向CPU 每次最多只能發(fā)送256 個(gè)字節(jié)的長度。探測器一次數(shù)據(jù)返回為2 064 字節(jié)，超過了單次向CPU 發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行組包及解包，本方案通過自定義協(xié)議進(jìn)行組包，組包通過包頭編號來確定，一共17 個(gè)數(shù)據(jù)包，解包時(shí)通過包頭編號進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，如圖5 所示。組包完成后，將17個(gè)數(shù)據(jù)包依次放入發(fā)送緩存中。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸過程Fig.5 Data transfer process

2.2 數(shù)據(jù)處理及顯示

數(shù)據(jù)的顯示及處理主要由CPU 完成，基于車載Android 系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)新的應(yīng)用程序，該應(yīng)用包含一個(gè)顯示層，多個(gè)服務(wù)層。

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)通過調(diào)用系統(tǒng)接口獲取數(shù)據(jù)，包括車載GPS 數(shù)據(jù)，汽車的速度、里程，探測器數(shù)據(jù)包等。根據(jù)協(xié)議對探測器數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，將6 個(gè)探測器數(shù)據(jù)放到系統(tǒng)緩存中。

（2）存儲服務(wù)用于管理數(shù)據(jù)庫，將測量時(shí)間、探測數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫。為保證數(shù)據(jù)完整性，在系統(tǒng)開始采集后，數(shù)據(jù)服務(wù)及存儲服務(wù)會一直在后臺運(yùn)行，即使用戶切換到其他應(yīng)用，數(shù)據(jù)仍會持續(xù)采集傳輸，保證整個(gè)采集過程數(shù)據(jù)不會丟失。測量完成后，可將數(shù)據(jù)庫拷貝至U 盤，方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（3）地圖服務(wù)通過調(diào)用第三方地圖（百度地圖）接口，在地圖模式下進(jìn)行地圖繪制，軌跡繪制，形成分布圖，在分布圖中，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前劑量率，當(dāng)前劑量率K（單位：nGy/h）的計(jì)算方法為：

其中：T——測量時(shí)間，s；

dataij——第i個(gè)探測器j道計(jì)數(shù)值，劑量率與6 個(gè)探測器全譜計(jì)數(shù)率呈線性關(guān)系；

L——該線性關(guān)系一個(gè)系數(shù)，本文稱之為劑量系數(shù)。

劑量系數(shù)可以在系統(tǒng)設(shè)置里面修改，當(dāng)增加或者減少探測器時(shí)，劑量系數(shù)需要根據(jù)標(biāo)定情況手動進(jìn)行調(diào)整。

每隔1 分鐘，系統(tǒng)會保存一個(gè)劑量率值K′（單位：nGy/h），K′的計(jì)算方法將公式（1）中的T=60，dataij為第i個(gè)探測器j道60 s 內(nèi)的增長計(jì)數(shù)。并作為一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)顯示在地圖上。

（4）顯示服務(wù)在測量模式下通過Android圖形引擎繪制數(shù)據(jù)波形，可通過觸摸手勢對波形進(jìn)行縮放、移動，直觀的顯示能譜圖。

在測量模式下查看單個(gè)探測器詳細(xì)能譜圖中，系統(tǒng)收到某個(gè)探測器數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。首先將1 024 道數(shù)據(jù)通過濾波去噪，其次進(jìn)行曲線光滑，然后通過對稱零面積變化法進(jìn)行尋峰，從而自動判定峰位?？赏ㄟ^能量刻度判定峰位能量，達(dá)到識別核素的目的[10]。

測量軟件與多媒體其他軟件互不影響，用戶在測量過程中可以隨意切換多媒體娛樂系統(tǒng)其他軟件與測量軟件。

3 試驗(yàn)及功能

準(zhǔn)備一臺定制車輛，軟件設(shè)計(jì)并測試完成后，將MCU 及CPU 系統(tǒng)軟件打包，通過OTA升級將車輛IVI 系統(tǒng)軟件更新成含有定制程序的系統(tǒng)。升級完成后，檢查系統(tǒng)軟件版本，確保軟件正確。

將各個(gè)探測器設(shè)備安裝在指定位置，通過線纜將各個(gè)探測器接入到汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)中，車輛ACC 上電后，中控系統(tǒng)自動啟動，通過點(diǎn)擊系統(tǒng)操作系統(tǒng)主頁菜單中的輻射監(jiān)測系統(tǒng)入口圖標(biāo)，啟動輻射監(jiān)測系統(tǒng)程序，進(jìn)入系統(tǒng)主頁。如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主頁界面Fig.6 System home page interface

在系統(tǒng)主頁工作界面上，左側(cè)三個(gè)菜單分別進(jìn)入測量模式，地圖模式以及系統(tǒng)設(shè)置。右側(cè)顯示各個(gè)探測器的狀態(tài)，可主動開啟或關(guān)閉某個(gè)探測器，當(dāng)系統(tǒng)正在工作時(shí)顯示各個(gè)探測器的工作時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)界面分為導(dǎo)航欄和系統(tǒng)工作界面，導(dǎo)航欄用于控制各個(gè)頁面的跳轉(zhuǎn)，顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)信息以及系統(tǒng)測量的開關(guān)。

主頁上點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面，如圖7 所示。由于系統(tǒng)的各個(gè)探測器為獨(dú)立工作的探測器，每個(gè)探測器參數(shù)上存在一定的差異，對探測器參數(shù)設(shè)置上需要對每個(gè)探測器單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置。左側(cè)點(diǎn)擊某個(gè)設(shè)備可以對單個(gè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊頂部的整車設(shè)置按鈕可以對所有的設(shè)備進(jìn)行相同參數(shù)的設(shè)置。

圖7 系統(tǒng)設(shè)置界面Fig.7 System setting interface

準(zhǔn)備一個(gè)已知活度的137Cs 和60Co 源，對NaI（TI）探測器進(jìn)行能量刻度及效率刻度，設(shè)置能量刻度參數(shù)及效率刻度參數(shù)。并對各個(gè)探測器進(jìn)行其他參數(shù)設(shè)置，主要包含調(diào)增益及偏置電壓使探測器處于最佳工作狀態(tài)、設(shè)置各個(gè)探測器的測量時(shí)間。返回主頁，參數(shù)設(shè)置及車輛準(zhǔn)備工作完成。

將車輛行駛至需要測試位置的起點(diǎn)處，車輛發(fā)動，進(jìn)入系統(tǒng)，在主頁上將6 個(gè)探測器全部打開，點(diǎn)擊右上角開始測量按鈕探測器開始工作。駕駛車輛按照規(guī)劃路線行駛，系統(tǒng)將自動記錄數(shù)據(jù)并存儲到本地。

在行駛過程中，操作員點(diǎn)擊測量模式，在一個(gè)界面中顯示6 個(gè)探測器實(shí)時(shí)譜線概圖，如圖8 所示。由圖可以看出各個(gè)探測器的譜線大致形狀保持一致，各個(gè)譜線還有一定的差別，符合本底能譜的特性。點(diǎn)擊各個(gè)概圖后會彈出全屏窗口用于顯示詳細(xì)譜線圖。

圖8 測量模式界面Fig.8 Measurement mode interface

在詳細(xì)普線圖窗口中，系統(tǒng)通過譜線圖自動識別峰所在位置，通過道值判定峰能量，將識別的核素顯示在圖中。

如圖9 所示為龍?zhí)豆I(yè)園區(qū)域本地能譜圖，由圖可以看到在測量大約900 s 時(shí)，自動尋峰判定到440 道出現(xiàn)峰值，并識別其能量大約為1.46 MeV，判定為40K，在相應(yīng)的峰上會顯示出是何種核素。從系統(tǒng)識別的譜線圖來看，屬于天然本地放射性物質(zhì)，與實(shí)際環(huán)境符合。

圖9 測量模式探測器詳細(xì)譜圖Fig.9 Detailed spectrogram of measurement mode of detector

在行駛過程中，操作員點(diǎn)擊地圖模式，查看行車軌跡圖，系統(tǒng)會根據(jù)一定時(shí)間間隔，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域的劑量率（單位：nGy/h）。如圖10 所示為龍?zhí)豆I(yè)園區(qū)某條軌跡路線及該段軌跡的劑量率。由于該區(qū)域無高濃度放射性物質(zhì)，因此該路線各個(gè)區(qū)域劑量率值差距不大，符合當(dāng)前城市道路環(huán)境。

圖10 地圖模式界面Fig.10 Map mode interface

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的車載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)探測器接口設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑻綔y器布置在車上各個(gè)位置，通過CAN 總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡囍锌刂?，可以通過汽車的供電模塊讓探測器處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)可以接入到車載CAN 網(wǎng)絡(luò)中，通過私有CAN 協(xié)議與中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。定制后的軟件系統(tǒng)可以正常在車載多媒體系統(tǒng)上穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)總線穩(wěn)定可靠。

在路試過程中系統(tǒng)及探測器穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)可以正常顯示環(huán)境中能譜圖，并能自動識別峰位并判定是何種核素。系統(tǒng)能通過GPS，速度表，里程表顯示準(zhǔn)確的行車軌跡圖，能在地圖上標(biāo)識出各個(gè)行車路線區(qū)域劑量率。

核輻射監(jiān)測車探測器與汽車成為一個(gè)整體，探測器通過CAN 總線將數(shù)據(jù)接入到車載網(wǎng)絡(luò)，利用車載多媒體系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，達(dá)到了預(yù)期的效果。本設(shè)計(jì)能進(jìn)行輻射移動巡測，在核輻射環(huán)境及核安全領(lǐng)域有著重要意義。

致謝感謝成都理工大學(xué)及四川新先達(dá)測控技術(shù)有限公司周建斌、方方、洪旭、馬英杰、萬文杰、韓旭等在本系統(tǒng)中給予的建議及良好的測試條件。