基于STM32的多功能γ能譜儀設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了一種基于STM32微處理器的γ能譜儀的研制。該儀器由主探測(cè)器、主控電路，GPS模塊，SD卡存儲(chǔ)模塊，USB接口電路構(gòu)成。是一種集輻射強(qiáng)度檢測(cè)、輻射源地理位置定位，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，USB傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大大豐富并提高了能譜儀的性能。

隨著對(duì)天然輻射場(chǎng)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(chǎng)調(diào)查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測(cè)方面，都得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)合的復(fù)雜多樣化對(duì)核輻射測(cè)量?jī)x器提出新的需求。傳統(tǒng)的核輻射測(cè)量?jī)x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(lái)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(cè)器，融合無(wú)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(cè)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(kāi)發(fā)，應(yīng)用程序管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電源部分采用鋰電池組供電，經(jīng)過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)中作為數(shù)據(jù)標(biāo)志;同時(shí)將測(cè)量結(jié)果顯示在TFT液晶屏上，或者通過(guò)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(cè)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。

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(jiàn)的3.3V。該芯片專門(mén)設(shè)計(jì)于集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)工作靈敏的脈沖放大器要求，選用φ75x75 mm NaI(TI)探測(cè)器，能量分辨率一般可達(dá)到8%(銫137源)。探測(cè)器工作后經(jīng)光電倍增管產(chǎn)生的信號(hào)首先通過(guò)前置放大器和主放大器調(diào)理，用于對(duì)探測(cè)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。

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(wú)源RC積分電路。核脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)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。

2.3 甄別電路

脈沖整形后信號(hào)通過(guò)峰值檢測(cè)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(duì)測(cè)量的干擾，對(duì)脈沖幅度需采用幅度甄別器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行甄別，只允許一定幅度的脈沖通過(guò)，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(kāi)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。

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(cè)量，對(duì)測(cè)量點(diǎn)具體位置及測(cè)量具體時(shí)間無(wú)法記錄，也無(wú)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(cè)，系統(tǒng)需要配置定位設(shè)備，由于輻射源的適用場(chǎng)合主要是室內(nèi)，而普通的GPS在室內(nèi)無(wú)信號(hào)，無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)輻射源的實(shí)時(shí)定位，GPS-one是美國(guó)高通公司開(kāi)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(wú)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(wú)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(guò)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(cè)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(jiǎn)單，通信可靠，大大降低了系統(tǒng)尺寸，提高了穩(wěn)定性。