MSP430多探頭核輻射劑量率儀設計方案

目前國內的輻射防護儀表無論是便攜式的還是固定監(jiān)測式的儀器都是采用一個探頭對應一個主機的形式，而國外已經(jīng)有多個探頭對應一個主機的機型，這種多探頭輻射測量儀具有的最大優(yōu)勢就是在主機不變的情況下只需更換不同的數(shù)字探頭就可以分別測量α，β，γ的劑量率；而且測同一種射線時還可以根據(jù)不同情況選擇不同種類的探頭，利用所選探頭的優(yōu)點擴大儀器的量程；同時還避免了同類電路板的重復開發(fā)，產(chǎn)品的升級以及系統(tǒng)構成的變化只需改變軟件，這樣從很多方面都大大降低了成本。
　　1 系統(tǒng)概述
　　本系統(tǒng)由探頭和主機兩個部分組成。外接探頭內部的探測器類型包括測量α的ZnS探測器、測量β的塑料閃爍體探測器，測量γ的NaI晶體探測器，以及同時測量α，β的雙閃爍體探測器和同時測量α，β，γ的雙GM管探測器。探頭內置一片MSP430F169型單片機，以提高其數(shù)字化程度；主機是以單片機MSP430F169為核心檢測系統(tǒng)。MSP430F169單片機是超低功耗的16位混合信號處理器，在運算性能上比8位處理器高，遠不止兩倍。在本設計中，MSP430F169大部分時間工作于低功耗模式0情況下，此時耗電為50μA／s，只有主機向探頭發(fā)送命令時，才觸發(fā)一個極短暫運行。運行期間電流消耗250μA／MIPS左右。此系統(tǒng)用于查詢探頭檢測到的實時劑量率和歷史數(shù)據(jù)及設置探頭所需的參數(shù)，當射線進入各類型探測器后產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)過信號調整電路轉換成標準脈沖頻率信號，探頭內單片機系統(tǒng)在設置的時間內對脈沖計數(shù)，再利用相應的算法計算出劑量率，將該劑量率通過RS 485總線傳送給主機，最后在主機的液晶顯示界面將劑量率顯示出來。
　　2 數(shù)字探頭介紹
　　圖1就是數(shù)字探頭的結構，將探頭數(shù)字化可以說是本設計的一個核心內容，其內部的單片機與主機中的單片機通過RS 485總線相互通信，完成修改參數(shù)，傳輸數(shù)據(jù)的功能。
　　
　　數(shù)字探頭是由探測器、放大電路、甄別成型電路和一片MSP430單片機組成；而常規(guī)的模擬探頭只是由探測器和前置放大電路和脈沖成型電路組成，由此可見，數(shù)字探頭的集成度更高，智能化更強，適合編程控制。本文中所用到的數(shù)字探頭就可通過編程修改以下參數(shù)：
　　測量時間：0～60 s；測量次數(shù)：0～99次；校正因子：0．01～9．99；零點：-20～+20；高壓：-1 000～+500 V。
　　3 硬件電路設計
　　設計過程中的關鍵問題有兩個：一是多個數(shù)字探頭的高壓供電問題，解決辦法是采用D／A轉換模塊與單片機連接，通過軟件控制來提供可變的低電壓，然后將此低壓接入能線性放大的高壓轉換模塊為探頭供電；二是多個探頭的識別與數(shù)據(jù)傳輸問題，解決辦法是將探頭編號，并在數(shù)字探頭與單片機間采用RS 485串口連接，共連接四根線，分別是電源線，地線，A頭，B頭。探頭接收到傳送ID指令時就將自己特有的編號傳給主機，主機進行判斷，看是哪種探頭，進而轉到相應的軟件處理程序。當測完數(shù)據(jù)后采用第一片MSP430與第二片MSP430單片機雙機通信方式將劑量率送至主機。圖1中虛線框內就是數(shù)字探頭部分，這里的A～N種探測器和信號處理電路并不是指同時掛接在主機上，而是指可更換的意思。其余模塊包括128×64液晶顯示屏，底色為白色，顯示十分清晰；外部存儲器，可存儲實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；時鐘芯片，顯示年、月、日、時；報警電路，當劑量率過大時蜂鳴報警；2×2鍵盤，控制儀器選項及頁面變化。硬件連接方式如圖1所示。
　　4 探頭與主機通信協(xié)議
　　主機使用RS 485串口與智能探頭相接，采用半雙工進行通信，波特率為9 600 b／s，每幀格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。探頭在向儀器發(fā)送數(shù)據(jù)設為發(fā)送狀態(tài)，其余時隙設為接收狀態(tài)。
　　測量不同射線的探頭都有一個ID號，以便儀器能識別不同的探頭。為了方便以后擴展與使用，探頭的ID號由5個字節(jié)組成共40位。其中，0～15位表示探頭研發(fā)的年份，用BCD碼表示0～7位為年，8～15位為世紀；16～23位表示發(fā)送出的數(shù)據(jù)是計數(shù)還是輻射的照射量；24～32位表示測量的范圍；32～39位表示測量輻射的類型。