基于嵌入式系統(tǒng)的能譜型核測(cè)井儀器

1引言
民用非動(dòng)力核技術(shù)是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的高新技術(shù)，其中核測(cè)井技術(shù)是隨著當(dāng)代科技的發(fā)展以及它在石油、煤炭、鈾礦等地質(zhì)礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域的應(yīng)用而迅速發(fā)展起來(lái)的尖端測(cè)井技術(shù)之一。目前，適用于鈾礦核測(cè)井的國(guó)產(chǎn)儀器較少，主要有成都理工大學(xué)研制的HFC-1型γ能譜測(cè)井儀器、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制的HD-4002型綜合測(cè)井儀等。這些儀器多數(shù)采用筆記本電腦為測(cè)井儀器系統(tǒng)的控制核心，為了能夠更好適應(yīng)野外測(cè)量工作的復(fù)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(cè)井儀系統(tǒng)的控制核心，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟硬件。
2能譜型核測(cè)井儀的理論基礎(chǔ)
眾所周知，地殼的巖石和土壤中都有一定數(shù)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(lái)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(jù)測(cè)量所得的能譜數(shù)據(jù)，判定測(cè)量點(diǎn)位置的放射性元素成分，即進(jìn)行放射性元素的定性分析。同時(shí)，放射性元素的含量與它的γ射線強(qiáng)度成正比，因此只要計(jì)算出放射性元素的γ射線強(qiáng)度，就可以得出相應(yīng)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(diǎn)剝譜反褶積解釋法等。
能譜型核測(cè)井方法是通過(guò)研究天然產(chǎn)生或人工激發(fā)的放射性射線譜沿井軸的分布特點(diǎn)而確定該地層中的某些元素成分和含量的一種無(wú)損檢測(cè)方法。能譜型核測(cè)井儀就是使用能譜型核測(cè)井方法在野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量伽瑪射線能量譜，分析鈾、釷、鉀等放射性元素的性質(zhì)和含量的一種儀器。
3核測(cè)井儀的總體方案設(shè)計(jì)
能譜型核測(cè)井儀必須滿足體積小、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)、靈敏度高、便于野外攜帶使用等需求。針對(duì)這些需求，對(duì)能譜型核測(cè)井儀提出以下的設(shè)計(jì)方案：
3.1數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)主要由井下探管、自動(dòng)絞車(chē)、能譜采集電路組成。
井下探管主要包括核輻射探測(cè)器、前置放大器、探管外殼、電源等。目前國(guó)內(nèi)外的核輻射探測(cè)器主要有閃爍體探測(cè)器（如NaI（T1）無(wú)機(jī)晶體閃爍器）、半導(dǎo)體探測(cè)器（如高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器、碲鋅鎘CdZnTe半導(dǎo)體探測(cè)器）等。室溫碲鋅鎘（CZT）半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器是繼閃爍體探測(cè)器之后發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型先進(jìn)的探測(cè)器,室溫半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器被認(rèn)為是一種理想的探測(cè)器,它既具有低溫半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率好,又具有閃爍晶體探測(cè)器的探測(cè)效率高,同時(shí)還具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇碲鋅鎘（CZT）半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器為能譜型核測(cè)井儀的探測(cè)器。探管外殼用不銹鋼材料制作，同時(shí)做好防水密封性能，能滿足在測(cè)井的高溫高壓條件下正常工作。
自動(dòng)絞車(chē)負(fù)責(zé)控制井下探管的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探管在測(cè)井中進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量方式或連續(xù)測(cè)量方式的移動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)碲鋅鎘（CZT）探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)線性放大、調(diào)整與去除信號(hào)噪聲，并將測(cè)量脈沖信號(hào)的范圍平均分成多個(gè)脈沖幅度間隔，然后統(tǒng)計(jì)處理后的脈沖信號(hào)在各個(gè)脈沖幅度間隔的個(gè)數(shù)，以便形成各個(gè)脈沖幅度的計(jì)數(shù)分布曲線。能譜采集電路主要由線性放大器、過(guò)峰檢測(cè)電路、峰值保持電路、觸發(fā)ARM920T處理器S3C2410A內(nèi)置A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等組成。其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2嵌入式系統(tǒng)在能譜型核測(cè)井儀中的應(yīng)用
3.2.1嵌入式硬件系統(tǒng)
能譜型核測(cè)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(dú)立的16KB指令Cache與16KB數(shù)據(jù)Cache。存儲(chǔ)系統(tǒng)采用2MB的NORFlash、128MB的 NANDFLASH與64MB的SDRAM相結(jié)合，作為程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。并設(shè)計(jì)了各種相應(yīng)的外圍接口，主要包括LCD接口、SPI鍵盤(pán)接口、USB接口、以太網(wǎng)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(nèi)部已集成了 LCD控制器，所以可以很方便地控制各種類(lèi)型的LCD顯示屏。
3.2.2嵌入式軟件系統(tǒng)
在核測(cè)井儀硬件平臺(tái)上編寫(xiě)B(tài)ootloader引導(dǎo)程序，用于初始化目標(biāo)板硬件，給操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，并進(jìn)一步裝載、引導(dǎo)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(tái)上進(jìn)行移植，F(xiàn)lash驅(qū)動(dòng)程序與SDRAM驅(qū)動(dòng)程序的移植是U-Boot成功移植的關(guān)鍵。
嵌入式Linux支持多種體系結(jié)構(gòu)，有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能支持，支持多文件系統(tǒng)，有豐富的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，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(kāi)發(fā)環(huán)境、交叉運(yùn)行環(huán)境。在相應(yīng)的硬件平臺(tái)上裁剪與移植Linux操作系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)存少等特點(diǎn)，自帶NAND芯片驅(qū)動(dòng)，YAFFS是專(zhuān)門(mén)為NAND閃存設(shè)計(jì)的日志結(jié)構(gòu)嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。
3.2.3基于MiniGUI的監(jiān)控終端設(shè)計(jì)
MiniGUI是一個(gè)面向?qū)崟r(shí)嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)圖形用戶界面支持系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于手持信息終端、機(jī)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(jī)、查詢(xún)終端等產(chǎn)品和領(lǐng)域。能譜型核測(cè)井儀的監(jiān)控終端基于MiniGUI圖形界面開(kāi)發(fā)庫(kù)編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了能譜數(shù)據(jù)的采集、能譜曲線的顯示、數(shù)據(jù)文件的管理、能譜數(shù)據(jù)的分析等功能。能譜型核測(cè)井儀的監(jiān)控終端基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3結(jié)束語(yǔ)
本文瞄準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外核測(cè)井儀的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合便攜式儀器現(xiàn)場(chǎng)工作的特點(diǎn)以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，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(kāi)發(fā)庫(kù)、編寫(xiě)了Bootloader系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、編寫(xiě)了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、編寫(xiě)基于Linux操作系統(tǒng)和MiniGUI的測(cè)井儀監(jiān)控終端軟件。
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