基于嵌入式系統(tǒng)的能譜型核測井儀器

1引言
民用非動力核技術是國家鼓勵發(fā)展的高新技術，其中核測井技術是隨著當代科技的發(fā)展以及它在石油、煤炭、鈾礦等地質礦產勘探領域的應用而迅速發(fā)展起來的尖端測井技術之一。目前，適用于鈾礦核測井的國產儀器較少，主要有成都理工大學研制的HFC-1型γ能譜測井儀器、核工業(yè)北京地質研究院研制的HD-4002型綜合測井儀等。這些儀器多數采用筆記本電腦為測井儀器系統(tǒng)的控制核心，為了能夠更好適應野外測量工作的復雜環(huán)境，便于野外攜帶使用，本文將采用基于32位處理器ARM的嵌入式系統(tǒng)為測井儀系統(tǒng)的控制核心，并在此基礎上開發(fā)相應的軟硬件。
2能譜型核測井儀的理論基礎
眾所周知，地殼的巖石和土壤中都有一定數量的放射性元素存在著，他們能夠自發(fā)地放出放射性射線。在自然界中，這些放射性射線主要來自鈾 -238系列、釷-232系列和鉀-40系列等天然放射性元素。這些放射性元素有著各不相同的γ射線特征譜峰，如鈾、釷、鉀的特征譜峰分別為 1.76MeV、2.62MeV、1.47MeV，因此可以根據測量所得的能譜數據，判定測量點位置的放射性元素成分，即進行放射性元素的定性分析。同時，放射性元素的含量與它的γ射線強度成正比，因此只要計算出放射性元素的γ射線強度，就可以得出相應的放射性元素含量，放射性元素定量解釋方法主要有平均含量法、傳統(tǒng)剝譜法與逐點剝譜反褶積解釋法等。
能譜型核測井方法是通過研究天然產生或人工激發(fā)的放射性射線譜沿井軸的分布特點而確定該地層中的某些元素成分和含量的一種無損檢測方法。能譜型核測井儀就是使用能譜型核測井方法在野外現場測量伽瑪射線能量譜，分析鈾、釷、鉀等放射性元素的性質和含量的一種儀器。
3核測井儀的總體方案設計
能譜型核測井儀必須滿足體積小、性能穩(wěn)定、功能強、靈敏度高、便于野外攜帶使用等需求。針對這些需求，對能譜型核測井儀提出以下的設計方案：
3.1數據采集硬件系統(tǒng)設計方案
數據采集硬件系統(tǒng)主要由井下探管、自動絞車、能譜采集電路組成。
井下探管主要包括核輻射探測器、前置放大器、探管外殼、電源等。目前國內外的核輻射探測器主要有閃爍體探測器（如NaI（T1）無機晶體閃爍器）、半導體探測器（如高純鍺HPGe半導體探測器、碲鋅鎘CdZnTe半導體探測器）等。室溫碲鋅鎘（CZT）半導體核輻射探測器是繼閃爍體探測器之后發(fā)展起來的一類新型先進的探測器,室溫半導體核輻射探測器被認為是一種理想的探測器,它既具有低溫半導體探測器的能量分辨率好,又具有閃爍晶體探測器的探測效率高,同時還具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點，因此選擇碲鋅鎘（CZT）半導體核輻射探測器為能譜型核測井儀的探測器。探管外殼用不銹鋼材料制作，同時做好防水密封性能，能滿足在測井的高溫高壓條件下正常工作。
自動絞車負責控制井下探管的運動，實現探管在測井中進行逐點測量方式或連續(xù)測量方式的移動功能，并向嵌入式系統(tǒng)控制核心傳送井下探管的深度值。
能譜采集電路實現對碲鋅鎘（CZT）探測器輸出的電脈沖信號線性放大、調整與去除信號噪聲，并將測量脈沖信號的范圍平均分成多個脈沖幅度間隔，然后統(tǒng)計處理后的脈沖信號在各個脈沖幅度間隔的個數，以便形成各個脈沖幅度的計數分布曲線。能譜采集電路主要由線性放大器、過峰檢測電路、峰值保持電路、觸發(fā)ARM920T處理器S3C2410A內置A/D模數轉換等組成。其電路結構如圖1所示。

3.2嵌入式系統(tǒng)在能譜型核測井儀中的應用
3.2.1嵌入式硬件系統(tǒng)
能譜型核測井儀系統(tǒng)的控制核心ARM920T處理器S3C2410A是一款高端的32位低功耗RISC微處理器，具有最高工作頻率 203MHZ、獨立的16KB指令Cache與16KB數據Cache。存儲系統(tǒng)采用2MB的NORFlash、128MB的 NANDFLASH與64MB的SDRAM相結合，作為程序運行和數據存儲空間。并設計了各種相應的外圍接口，主要包括LCD接口、SPI鍵盤接口、USB接口、以太網接口、RS232接口與多道分析器MCA接口等。采用5.4英寸的LCD真彩顯示屏，因S3C2410A內部已集成了 LCD控制器，所以可以很方便地控制各種類型的LCD顯示屏。
3.2.2嵌入式軟件系統(tǒng)
在核測井儀硬件平臺上編寫B(tài)ootloader引導程序，用于初始化目標板硬件，給操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，并進一步裝載、引導嵌入式Linux操作系統(tǒng)。因U-Boot具有廣泛的通用性，選擇U-Boot在該硬件平臺上進行移植，Flash驅動程序與SDRAM驅動程序的移植是U-Boot成功移植的關鍵。
嵌入式Linux支持多種體系結構，有強大的網絡功能支持，支持多文件系統(tǒng)，有豐富的外設驅動，此外Linux還具備一整套工具鏈，使用戶容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、交叉運行環(huán)境。在相應的硬件平臺上裁剪與移植Linux操作系統(tǒng)內核，并移植基于Linux的YAFFS嵌入式文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)采用YAFFS文件系統(tǒng)，具有速度快、占用內存少等特點，自帶NAND芯片驅動，YAFFS是專門為NAND閃存設計的日志結構嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設備。
3.2.3基于MiniGUI的監(jiān)控終端設計
MiniGUI是一個面向實時嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)，廣泛應用于手持信息終端、機頂盒、工業(yè)控制系統(tǒng)及工業(yè)儀表、便攜式多媒體播放機、查詢終端等產品和領域。能譜型核測井儀的監(jiān)控終端基于MiniGUI圖形界面開發(fā)庫編寫，實現了能譜數據的采集、能譜曲線的顯示、數據文件的管理、能譜數據的分析等功能。能譜型核測井儀的監(jiān)控終端基本結構如圖2所示。

3結束語
本文瞄準國內外核測井儀的發(fā)展趨勢，結合便攜式儀器現場工作的特點以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點，以高端ARM920T處理器S3C2410A為核心，并在其上移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)、YAFFS文件系統(tǒng)、MiniGUI圖形界面開發(fā)庫、編寫了Bootloader系統(tǒng)引導代碼、編寫了設備驅動程序、編寫基于Linux操作系統(tǒng)和MiniGUI的測井儀監(jiān)控終端軟件。
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