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基于STM32微處理器和NaI探測器實(shí)現(xiàn)γ能譜儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:大連東軟信息學(xué)院 ? 作者:黃麗佳;劉龍;劉 ? 2020-03-06 08:12 ? 次閱讀

隨著對天然輻射場中低能量γ譜學(xué)及其應(yīng)用的深入研究,γ能譜儀不僅在固體礦產(chǎn)勘探、油氣普查、水文和工程地質(zhì)調(diào)查等工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究方面,甚至在民用的環(huán)境輻射場調(diào)查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測方面,都得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用場合的復(fù)雜多樣化對核輻射測量儀器提出新的需求。傳統(tǒng)的核輻射測量儀器常采用探頭與主控儀器分離的方式,而且主控儀器通常采用32位ARM7處理器甚至8位單片機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行控制,數(shù)據(jù)采集常采用速度較低的ADC芯片。硬件電路復(fù)雜、體積大、集成度低、功能單一。近年ARM公司Cortex—M系列ARM核的推出將微控制器的性能提高到一個(gè)嶄新的高度,同時(shí)功耗與成本大大降低。本文介紹一種主要基于最新Cortex—M3核的STM32微處理器,利用NaI探測器,融合無線通信,位置定位功能、具備大容量SD卡文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、USB傳輸接口的γ能譜儀設(shè)計(jì)。

1、 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本能譜儀是以意法半導(dǎo)體出品的STM32芯片為主控制器,搭配NAI探測器及外圍電路構(gòu)建的硬件平臺(tái);以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCosII2.9.0為軟件平臺(tái),進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā),應(yīng)用程序管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于STM32的多功能γ能譜儀設(shè)計(jì)

2、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電源部分采用鋰電池供電,經(jīng)過電源管理模塊產(chǎn)生探頭所需高壓外,還需提供信號(hào)調(diào)理,控制回路所需工作電源;主控制器部分采集GPS模塊定位數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊時(shí)間數(shù)據(jù),加入到輻射測量數(shù)據(jù)中作為數(shù)據(jù)標(biāo)志;同時(shí)將測量結(jié)果顯示在TFT液晶屏上,或者通過USB電路傳送至上位機(jī);在主控制作用下,系統(tǒng)定時(shí)會(huì)將測量數(shù)據(jù)保存至SD卡,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以備回查。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中,主控制器回路,前置放大及脈沖成型電路、甄別電路及GPS電路是本能譜儀重點(diǎn)改進(jìn)之處。譜儀硬件組成如圖2所示。

基于STM32的多功能γ能譜儀設(shè)計(jì)

2.1 主控制器STM32

為了充分發(fā)揮Cortex—M3核特點(diǎn),降低能譜儀功耗的同時(shí)提升系統(tǒng)處理速度和其他性能,系統(tǒng)采用STM32系列32 Bit微控制器,芯片型號(hào)為STM32F103ZETT6。該芯片工作頻率為72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,64K的SRAM和512K的Flash,具備豐富的增強(qiáng)IO端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。器件包含兩個(gè)12 bit的ADC,3個(gè)通用16 Bit定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器,還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口:2個(gè)I2C和SHI,5個(gè)USART,1個(gè)USB和CAN。工作電壓為常見的3.3V。該芯片專門設(shè)計(jì)于集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競爭價(jià)格與一體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域需求。

2.2 前置放大及脈沖放大成形電路

為了滿足現(xiàn)場工作靈敏的脈沖放大器要求,選用φ75x75 mm NaI(TI)探測器,能量分辨率一般可達(dá)到8%(銫137源)。探測器工作后經(jīng)光電倍增管產(chǎn)生的信號(hào)首先通過前置放大器和主放大器調(diào)理,用于對探測器輸出信號(hào)的幅度放大和脈沖成形。前置放大器由高速、低漂移、寬頻帶集成運(yùn)算放大器AD844構(gòu)成的電壓跟隨器,主放大器包括極零相消電路、可調(diào)主放大器、有源積分濾波電路。主放大器由AD8066配套周圍電路組成如圖3所示。

基于STM32的多功能γ能譜儀設(shè)計(jì)

圖4為積分濾波成形電路。前一級(jí)是二階有源積分濾波成形電路。隨后緊跟一級(jí)無源RC積分電路。核脈沖信號(hào)經(jīng)過積分濾波成形電路后,就可以得到頂部較圓,信噪比較高的高斯型波形信號(hào),方便后續(xù)電路處理。

基于STM32的多功能γ能譜儀設(shè)計(jì)

2.3 甄別電路

脈沖整形后信號(hào)通過峰值檢測及相應(yīng)控制電路,然后送入主控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。為消除高能或低能噪聲對測量的干擾,對脈沖幅度需采用幅度甄別器來對信號(hào)進(jìn)行甄別,只允許一定幅度的脈沖通過,供后繼電路采集。此部分電路采用LM339電壓比較器,其輸入阻抗高,開環(huán)增益大,電壓上升速率快,恢復(fù)時(shí)間短,具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

基于STM32的多功能γ能譜儀設(shè)計(jì)

2.4 GPS電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路及SD卡存儲(chǔ)電路

傳統(tǒng)譜儀僅實(shí)現(xiàn)輻射強(qiáng)度實(shí)時(shí)測量,對測量點(diǎn)具體位置及測量具體時(shí)間無法記錄,也無法實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),以提供歷史數(shù)據(jù)回查功能。為了克服以上缺點(diǎn),本能譜儀進(jìn)行了改進(jìn)。

為了實(shí)現(xiàn)輻射源實(shí)時(shí)位置的監(jiān)測,系統(tǒng)需要配置定位設(shè)備,由于輻射源的適用場合主要是室內(nèi),而普通的GPS在室內(nèi)無信號(hào),無法滿足實(shí)際應(yīng)用需要,本系統(tǒng)選用GPS和CDMA移動(dòng)通信雙重定位技術(shù)的GPS-one模塊來實(shí)現(xiàn)輻射源的實(shí)時(shí)定位,GPS-one是美國高通公司開發(fā)的基于CDMA

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定位技術(shù),采用Client/Server方式。他將無線輔助A—GPS和高級(jí)前向鏈路AFLT三角定位這兩種定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性和較高定位速度。在A—GPS定位技術(shù)無法使用的環(huán)境中,會(huì)自動(dòng)采用AFLT三角定位技術(shù),從而確保定位的成功率和準(zhǔn)確度。本譜儀使用的GPS-one模塊具體型號(hào)為DTGS8—8000 DTGS8—800模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口,可通過TTL—RS232轉(zhuǎn)換器與STM32連接,采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令驅(qū)動(dòng)模塊工作。

輻射強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)物理介質(zhì)為高密度SD卡,利用STM32內(nèi)部集成的SDIO接口擴(kuò)展的micro—SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ);實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路采用DS1337日歷芯片,利用STM32內(nèi)部集成的串行IIC總線接口與之連接。上述設(shè)備連接方式簡單,通信可靠,大大降低了系統(tǒng)尺寸,提高了穩(wěn)定性。

2.5 其他外圍電路

經(jīng)過外圍電路調(diào)理過的核輻射脈沖信號(hào)通過STM32內(nèi)置的高速ADC進(jìn)行測量,STM32F103ZET擁有兩個(gè)12bit的ADC,其VREF+,VREF-為基準(zhǔn)電壓輸入引腳?;鶞?zhǔn)電壓輸出電路采用REF3233,為系統(tǒng)提供精密3.3 V參考電壓,保障數(shù)據(jù)采集精確。

利用STM32內(nèi)置全速USB2.0接口,配合若干電阻電容,擴(kuò)展USB接口,作為上位PC機(jī)與譜儀通訊使用。上述部分具體連接電路在此不予贅述。

3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)處理、LCD實(shí)時(shí)顯示、鍵盤掃描、SD卡數(shù)據(jù)讀寫、GPS位置定位數(shù)據(jù)處理、處理USB數(shù)據(jù)傳輸和消息處理一共7個(gè)任務(wù)。由于核信號(hào)的隨機(jī)性和峰值信號(hào)的時(shí)間間隔不可預(yù)料性。輻射強(qiáng)度測量重要數(shù)據(jù)處理,采用DMA中斷方式,保證采集數(shù)據(jù)能夠快速得到處理。

各個(gè)任務(wù)利用uCosII提供的消息隊(duì)列機(jī)制循環(huán)處理上位機(jī)命令和鍵盤命令。消息任務(wù)中設(shè)置消息處理函數(shù),根據(jù)命令不同,通知數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理數(shù)據(jù),通知SD卡任務(wù)備份數(shù)據(jù),以及將GPS加入至輻射測量數(shù)據(jù)等。鍵盤掃描任務(wù)進(jìn)行用戶指令的識(shí)別,將其發(fā)送到消息處理任務(wù);LCD顯示任務(wù)完成輻射數(shù)據(jù)譜線及相關(guān)參數(shù)的顯示。

SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用開源的FAT32文件系統(tǒng)包FATFS0.07C完成,SD卡數(shù)據(jù)任務(wù)運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行文件系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)體初始化,然后響應(yīng)按鍵指令后將測量數(shù)據(jù)采用定期或非定期寫入,以后后續(xù)使用進(jìn)行翻查。USB數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)響應(yīng)上位機(jī)指令,將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或從SD卡讀取歷史數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

在STM32上電復(fù)位后,首先進(jìn)行設(shè)備自檢,硬件設(shè)備無誤后啟動(dòng)操作系統(tǒng)并創(chuàng)建任務(wù),開始運(yùn)行應(yīng)用程序。

4 、結(jié)論

通過實(shí)地使用,實(shí)測137Cs放射源能譜很清楚看出137Cs發(fā)出的全能峰、康普頓峰和反射峰。其能量分辨率達(dá)到10%左右。

該系統(tǒng)其他技術(shù)參數(shù)為:γ射線能量分析范圍為20 keV~3.0 MeV,連續(xù)測量數(shù)據(jù)符合放射性統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律,使用NAI探測器時(shí),整機(jī)功耗為小于990 mW,實(shí)測USB最大傳輸速率為1 Mbps,在核輻射現(xiàn)場測量中有較好的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯:gt


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