计算机应用技术硕士论文-手持式多道γ能谱仪的研制.pdf

成都理工大学 硕士学位论文 手持式多道能谱仪的研制 姓名：成毅 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：庹先国 20070501 摘要 手持式多道y 能谱仪的研制 作者简介：成毅，男，1 9 7 4 年1 2 月出生，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大学庹 先国教授，于2 0 0 7 年7 月获硕士学位， 捅要 多道能谱分析仪早期都是由传统的模拟电路和数字电路来搭建的，随着计算 机技术和半导体技术的发展，7 0 年代中期，以数字集成电路和微处理器为基础的 数字多道能谱分析仪问世。8 0 年代末期9 0 年代初单片机技术开始被融入到仪器制 造中，多道能谱仪也随之向智能化方向发展。 随着科技的发展和对核技术认识的深入，为了便于及时了解或快速分析，手 持式仪器或与智能机器人捆绑的轻便型仪器显得越来越重要。本文结合国内、外 的相关y 射线测量的理论和技术实践，对手持式y 能谱测量仪进行了深入研究。 论文主要对手持式放射性y 能谱测量的相关原理以及系统的整体的实现方 案进行探讨的基础上，设计并研制了以c 8 0 5 1 f 0 6 4 为控制器，由线性放大与整 形电路、过峰检测电路、电源电路、液晶显示等构成，介绍了系统的人机界面、 中断采集程序、串行通信程序等应用软件的设计。最后样机对i 晶体、b g o 晶 体两个探测器进行测试，测试使用了1 3 7 c s 、n 、4 0 艮三个标准源。 本课题通过一年的努力，利用c 8 0 5 1 f 0 6 4 内部集成的1 6 位a d c ，完成了2 5 6 道y 能谱测量，并且通过键盘可以设定谱峰计数的起始和终止道址，并点亮选定 范围，并显示某道计数值和选定道址范围的统计和。 通过本课题的研制，基本实现了手持式y 能谱测量仪的雏形，具有良好的人 机界面、较高的测量精度，可用于现场测量和智能机器人捆绑。 关键词；c 8 0 5 1 f 0 6 41 6 也m ) ck = d 显示z l g 7 2 9 0 成都理t 火学硕十学位论文 ah a n d s e t d e s i g no f yr a d i a t i o nm e a s u r i n g a b s t r c t m u l t i c h a n n e le n e r g ya n a l y s i si n s t r u m e n to fm a n yy e a r sa g om o s t l yi sc o m p o s e d o fc o m p l e xa n a l o gc i r c u i t sa n ds i m p l ed i g i t a lc i r c u i t s i n7 0 so f2 0 t hc e n t u r y , c o m p u t e r a n ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yg o i n gf a s t ，a n dm u l t i - c h a n n e le n e r g y a n a l y s i si n s t r u m e n ti sd e s i g n e db ym i c r o - c o n t r o l l e r i n9 0 so f2 0 t hc e n t u r y , e n e r g y a n a l y s i si n s t r u m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt h ed e e pe x p l o r eo fn u c l e a rw e f i n di t n e c e s s a r yt of i n do u tt h er e s u l to fm e a s u r i n gi nt i m e ，a n di ti si m p o r t a n tt od e s i g n h a n d s e ti n s t r u m e n to rp o r t a b l ei n s t r u m e n tw h i c hc a l lw o r kt o g e t h e rw i t hi n t e l l i g e n t r o b o t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sak i n do fh a n d s e ti n s t r u m e n tm e a s u r i n g 丫r a d i a t i o n w h i c hc a na n a l y s i se n e r g yo ft h es i g n a l t h et h e o r yo fm yd e s i g ni sa c c o r d i n gt ot h e n e w e s tt e c h n o l o g yo fi n t e r n a lo ro v e r s e a s t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h et h e o r yo fm e a s u r i n ge n e r g ys i g n a lo f7r a d i a t i o n a n dt h ec i r c u i td e s i g n i nt h ed e s i g nt h em c ui sc 8 0 5 1 f 0 6 4w h i c hi n c l u d ea1 6b i t s a d c t h e r ea r eo t h e rc i r c u i tl i k el i n e a r i t ya m p l i f i e r , s i g n a lt o pd e t e c t ，d e - d e , l e de t c i ns o f t w a r ed e s i g n ，m a i n l yi n t r o d u c em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，d a t ag a t h e r i n gi n i n t e r r u p t ，u a r tc o m m u n i c a t i o ne t c l a s t ，u s i n gt h em a c h i n eih a v ej u s td e s i g nih a v e m e a s u r e dt h r e es t a n d a r dr a d i o a c t i v i t ys a m p l e 1 3 7 c s 、t h 、柏ku s i n gt w ok i n do f d e t e c t o rn a la n db g 0 i tt a k e sm eo n ey e a rt od e s i g nt h eh a n d s e ti n s t r u m e n t a n di tc a nm e a s u r i n gt r a d i a t i o ni n2 5 6c h a n n e l s ，a n dd i s p l a yi nam i n i c o l o rl c d k e y w o r d s ：c 8 0 5 1 f 0 6 4 1 6 b i t s a d c l c dz l g 7 2 9 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 、，1 学位论文作者导师签名： 馋、乞1 莛f 学位论文作者签名： 碜应 学位论文版权使用授权书 2 0 0 7 年5 月1 2 日 本学位论文作者完全了解成都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鹳2 威觳 2 0 0 7 年5 月1 2 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景、目的、意义 多道能谱分析仪早期都是由传统的模拟电路和数字电路来搭建的，随着计算 机技术和半导体技术的发展，7 0 年代中期，以数字集成电路和微处理器为基础的 数字多道能谱分析仪问世。8 0 年代末期9 0 年代初单片机技术开始被融入到仪器制 造中，多道能谱仪也随之向智能化方向发展。现在市场上存在的大部分多道能谱 分析仪，都是这个时期的产物。不同厂家开发的多道能谱仪在功能、精度等方面 存在差别，大部分都采用单片机或p c i 0 4 豌m g m 或p d a 等作为控制器。本文同样 采用单片机作为核心c p u ，只是在功耗、体积、运行速度等方面做些性能上的改 进。 1 2 研究内容及组织形式 本文描述了将c 8 0 5 1 f 0 6 4 应用于核谱仪的方法和过程。首先简单介绍了 c 8 0 5 1 f 0 6 4 单片机的主要性能；然后重点讲述c 8 0 5 1 f 0 6 4 在手持式多道能谱仪中 应用的优点，详细阐述由c 8 0 5 1 f 0 6 4 构建的1 0 2 4 道手持式能谱仪各部分的软、硬 件实现。 论文的组织结构如下： 第一章讲述了课题研究的背景、目的及意义。 第二章首先对手持式能谱仪国内研究现状和发展趋势进行了介绍，然后对手 持式多道能谱仪的发展前景进行了介绍。 第三章是对c 8 0 5 1 f 0 6 4 性能的综述，介绍了c 8 0 5 1 f 0 6 4 的结构及性能特点， 说明了它作为手持式仪器的控制器的优点。 第四章介绍c 8 0 5 1 f 0 6 4 应用于手持式仪器的硬件电路说明，详细说明了各部 分的硬件接口。 第五章介绍c 8 0 5 1 f 0 6 4 应用于手持式仪器的软件说明，详细说明了各部分的 软件模块的设计方案和软件接口。 第六章介绍了使用本次设计的手持仪器分别连接b g o 探测器和n a l 探测器对 不同y 源样品的对比测量以及温度影响实验。 成都理：l ：人学硕十学位论文 第2 章手持式多道能谱仪的现状及前景 2 1 手持式分析仪的基本状况 2 1 1 手持式分析仪的背景、现状和发展趋势 随着现场分析的需求和电子技术微型化的发展，便携式仪器或手持仪器的需 求越来越明显， 现场分析仪器也越来越多，目前市场上绝大多数现场仪器都采 用p c i 0 4 模块或者单片机加大的液晶显示器来实现便携式方案，或者采用p d a 作 为人机界面，而测量部分使用单片机，中间采用串口通讯来实现手持方案，它们 的开发周期较短，人机界面友好。功能也齐全，但功耗都比较大，对于使用者要 求的使用干电池供电有一定差距。 2 1 2 手持式仪器的特点 手持式仪器是以应用为核心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它是为完成某种 特定的功能而设计的，有时我们也称其为嵌入式设备。 手持式仪器最主要考虑的是功耗问题，如何节约功耗但又要c p u 正常运行时 高速运行是手持式仪器设计的重点； 如何减少电路板设计尺寸也是手持仪器设计关心的地方，因此需要使用集成 度较高的芯片； 手持式仪器需要有良好的人机界面； 测量的数据需要保存并可以转存到计算机； 数据测量要求准确可靠，适时性强。 2 1 3 研究手持式仪器的意义 手持式仪器的使用方便用户进行随机测量，加大测量的数据。减少了取样测 量的麻烦，同时，手持仪器加上相应的通讯方式可以安装在智能机器人上，测量 人工无法实现采样的地方。 2 2 多道能谱仪的现状及前景 多道能谱分析仪是采用核分析方法分析物质成分和含量的仪器。它的工作 原理是：在对物质进行成分分析时，不同元素受到相同强度放射源的激发会产生 2 第2 章手持式多道能谱仪的现状及前景 不同能量的特征能谱射线或荧光，它们与物质所处的物理或化学状态几乎无关。 我们可以通过对特征能谱射线或荧光的能量和强度进行测量，来完成物质成分的 定性、定量分析。 随着核电子学和计算机技术的迅速发展，核谱仪的性能不断提高。国外的核 谱仪性能较高，但价格昂贵，在国内大多数用户中难以广泛应用。国内的研究者 经过十几年的努力，由早期传统的模拟电路和数字电路构建的多道能谱仪发展至 今已研制开发了多种型号的野外( 现场) 使用的能谱仪，主要有以下四种类型： 1 7 0 年代中期，以数字集成电路和微处理器为基础的数字多道能谱分析仪 闯世。 2 基于单片机构建的谱仪系统。如8 0 年代初的f d - 3 0 2 2 ，其缺点是测量道数 少，不能实时显示谱线和进行大型数据运算。 3 基于笔记本构建的谱仪系统。如9 0 年代的轻便型x 荧光仪，采用了多道 脉冲幅度分析器，测量道数为1 0 2 4 - - 2 0 4 8 道，具有很强的处理数据和实时显示谱 线的能力，但整机功耗大( 一般大于1 0 w ) ，难以集成为专用仪器，不适于野外 测量。 4 基于嵌入式微机构建的谱仪系统。如2 0 0 2 年成都理工大学研制的能谱仪， 采用了x 3 8 6 为c p u 的p c i 0 4 模块，编制了以d o s 为平台的应用软件，能够进行多 道测量，功耗低，同样具有很强的处理数据能力。 能谱仪向着功能强大，性能稳定，仪器集成度商，操作环境简便易用，功耗 低的趋势发展。存在的主要问题是：用于野外的仪器无法满足用户对实验室仪器 才具有的高性能和丰富功能的需求，而实验室仪器的较大体积和重量、高功耗的 缺点使得这种需求只能止步于实验室，无法用于野外。 3 成都理t 大学硕士学位论文 第3 章c 8 0 5 1 f 系列单片机概述 c 8 0 5 1 f 系列单片机是一种基于混合信号处理可以进行在线仿真和烧写的微 控制器，一般集成了多个a d c 和多个d a c ，不同型号的c p u 还包含有l l c 、s p i 、 c a n 、u s b 等总线接口；内部集成的高速8 0 5 1 内核采用流水线指令处理结构，7 0 的指令在1 到2 个系统周期内完成，如果采用2 5 m h z 的晶振，指令执行速度 可到2 5 m i p s ； 3 1c 8 0 5 1 f 0 6 4 单片机的特点 c 8 0 5 1 f 0 6 4 的模拟量接口包括：2 个16 位的逐次逼近型a d c ，转换速度可 调，最大速度1m s p s ，两个a d c 可以作为一个差分型a d c ，也可以分别作为两 个单端输入的a d c 来用，转换的数据可以通过o m a 力“ 式直接进入外部r a m ，而 不需要软件干预，而且该a d c 有个上下阈值窗口中断产生器，当采集数据超出设 定阈值时产生中断；模拟部分还包括3 个模拟比较器；参考电源输入以及电源监 控端。 c 8 0 5 1 f 0 6 4 的j t a g 调试和边界扫描：芯片本身自带一个全速的，不需要指令 支持的调试电路，可以进行在线编程和调试，可以进行断点设定，单步运行，点 监测，堆栈监测，r a m 和寄存器监测。 c 8 0 5 1 f 0 6 4 的高速8 0 5 1uc 内核：流水线型指令处理结构，7 0 的指令执行 时间只有1 到2 个系统周期，使用2 5 m l z 的晶振运行速度可以达2 5 m i p s ，还有 多个中断源。 c 8 0 5 1 f 0 6 4 的存储器：内部自带有4 k 的外部r a m ，6 4 k 的f l a s h ，而且可以 自己以5 1 2 字节为单位自己编程写。外部还可以扩展6 4 k r a m 。 c 8 0 5 1 f 0 6 4 的外部接口：5 9 个通用1 0 1 ：3 ，硬件s m b u s ( i i c 兼容) ，s p i 总线， 2 5 “ u a r t 串口，6 个1 6 位的可编程捕获比较模块，5 个1 6 位的定时计数器。 c 8 0 5 1 f 0 6 4 的时钟源：内部自带有2 4 5 m i - l z 的晶振，外部可以连接其他晶振， 内外晶振可以切换使用，并可以改变系统时钟的分频比。 4 第3 章c 8 0 5 1 f 系列单片机概述 3 2c 8 0 5 1 f 0 6 4 单片机的结构 鬻 隧 聃 瞳 啦 埘 嗽 蚋 m - _ x m a , 图3 - 1c _ 8 0 5 1 f 0 6 4 内部结构 图3 1 为c 8 0 5 1 f 0 6 4 的内部结构图。 本文仅对需要使用到的c 8 0 5 1 f 0 6 4 的一些功能部件进行说明： 3 2 11 6 位a d c c 8 0 5 1 f 0 6 4 包含有两个取样速率为1 m s p s ，1 6 位的逐次逼近型a d c ，内部集 成采样保持电路，还有一个窗v i 型阈值比较器，并带有d m a 数据传送接口( 如图 3 - 2 、图3 - 3 所示) ；该a d c 可以配置成2 个独立的单端a d c ，或者一个差分输入的 a d c ；它的数据转换模式、窗口型阀值比较器以及d m a 接口都可以通过软件修 改特殊功能寄存器来改变工作模式；a d c 和相应的采样保持电路分别可以控制有 效或无效，两个a d c 通“ r t 壶a d c 的控制寄存器( a d c n c 中的a d c n e n 位置l 使该 a d c i 作，如果该位为0 则相应的a d c 处于低功耗的关闭状态【4 】。 w lli盛ll l l 篮i l l l 成都理l ：大学硕十学位论文 a i n 0 a l n o g ( d c ，- 0 2 图3 - 2a d c 控制结构图 a d o w i n i “ 图3 - 3 a d c 0 和a d c l 的数据处理接口图 两个a d c 有各自独立的参考电压源，也都可以使用内部或外部参考电压；图 3 4 是参考电压的模块示意图；参考电压由一个1 2v 的参考电压发生器和一个2 倍放大的放大器输出，输出脚最大负载必须小于1 0 0 u a ，因此可以使用一个0 1 u f 和一个4 7 u f 的滤波电容将v r e f n 和v r g n d n 相连；参考电压是通过一个r e f n c n 特殊功能寄存器控制输出；如果某个a d c 使用内部参考电压源，那么第0 位 ( r e f b e n ) 和第1 位( b i a s e n ) 都必须为1 ；如果使用了外部参考电压，那r e f b e n 位必须为o ；如果某个a d c 在工作，那b i a s e n 位必须为1 ，当然可以将该位置0 6 第3 章c 8 0 5 1 f 系列单片机概述 来节约用电。 图3 - 4 内部参考电压的使用 a d c 的工作模式，两个a d c 的最大转换速率是1 m s p s ，转换时钟是从系统时 钟中获取，a d c n c f 寄存器中的a d c n s c 位决定每次转换所需要的系统时钟 ( 1 - 1 6 ) ；a d a d 有4 中启动转换方式： 1 将a d c o c n 寄存器中的a d o b u s y 置1 ； 2 定时器3 溢出( 连续转换) ； 3 外部a d c 转换启动信号c n v s t r 0 的上升沿； 4 定时器2 溢出( 连续转换) 。 a d c 的采样保持工作模式，寄存器a d c n c n 中的a d n t m ( b i t 6 ) 位控$ 1 j a d c n 的采样保持工作模式，当a d c 有效并且没有进行转换时，a d c 的输入端连续对 信号进行采样；如果a d n t m = 1 ，转换在启动信号后采样一段时间再进行，如 果使用外部控制信号a n ，s 1 1 h 引脚进行初始化转换，a d c 将一直进行采样直到 o s 1 1 h 引脚的上升沿( 见图3 - 5 转换时序图) ，将a d n t m = 1 ，能保证使用外 部模拟开关时所需要的稳定时间。 c 一 厂一 卜一一一 受：二二i 二二二：竺竺：二二：二：! 二圣 图3 - 5 外部控制转换时序 7 成都理。r 大学硕士学位论文 3 2 2i i cb u s c 8 0 5 1 f 0 6 4 的s m b u s 是兼容i i cb u s 的，它的读和写操作是由系统控制器进行 的基于字节的自动控制的串行接口，如果有外部时钟端下拉信号，可以以不同的 速度对不同总线设备进行通讯：它可以操作在主从两种模式，s m b u s 自动提供串 行移位数据和时钟的产生和同步，自动仲裁算法，自动控制启动和停止信号。 3 2 3 s p i 接口 c 8 0 5 1 f u “的s p i 接口提供可调整的、全双工同步串行接口，可以工作在主、 从两种模式下的3 线制或者4 线制，并支持在同一总线上支持多主机和多从机同 时并存。从机片选信号( n s s ) 可以配置成s p i 从机模式的输入选择信号，或者 在多主机模式总线中用于禁止主机工作的控制信号，以避免多主机同时发送数据 引发的总线争夺；n s s 也可以配置成主机模式下的片选输出信号，或者在3 线制 下不使用，其他普通i o h 线可以作为主机模式下多从机的选择信号。 3 2 4u a r t 串行接口 c 8 0 5 1 f 0 6 4 带有两个u _ a r t 串口，是增强型串行接口，自带有帧错误检测和 硬件的地址识别功能；可以工作在全双工的异步模式和半双工的异步模式，完全 支持多处理器通讯。接收的数据缓存在一个固定寄存器，在软件还没有读上一个 数据以前可以接收下一个数据，如果前一个数据还没有读取又接收到一个数据， 那么接收溢出位会置1 。 u a r t 串口通过专用的特殊功能寄存器s c o n 和s b u f 进行控制，串口的发送 和接收都使用同一个地址s b u f ，读s c o n 进入接收寄存器，写s c o n 进入发送寄 存器。 u a r t 串口可以进行查询或中断模式，它有两个中断源：一个发送中断标志 t m ( s c o n n 1 ) 在一个数据字节发送完后置1 ；一个是接收中断标志r i n ( s c 0 n n 0 ) 在接收到一个字节数据后置1 。当c p u 进入中断服务程序后，硬件 不能将中断标志位清零，必须由软件手动清零，这样串口中断后软件可以判断是 发送结束还是接收结束。 u _ a r t 串口支持多机通讯，可以在一个主机和一个从机或者一个主机和多个 从机之间通讯，多机通讯时使用第9 位数据和u a r t i l 内部集成的地址识别硬件， 当一个主机准备向一个或多个从机发送数据，它首先发送被选从机的地址，地址 字节与数据字节的分别就靠第9 位标志位区别，如果第9 位为1 表示该字节为地 址，如果为0 则该字节为数据字节。串口硬件对两种类型的地址会识别为有效： 一种是掩码地址，一种是任何时候的广播地址。 8 第3 章c 8 0 5 1 f 系列单片机概述 u 舢i 礁码地址通过两个特殊功能寄存器迸行配置，串口地址( s a d d r n ) ， 串口地址有效( s a d e n n ) 。串口地址有效寄存器( s a d i 玳n ) 用于设置s a d d r n 应用的掩码，如果s a d e n n 中相应位为l ，则s a d d r n 中相应位将在接收到一个 地址字节的时候需要对相应位进行检测，如果某位为0 ，则s a d d r 0 相应位在地 址中不考虑。 e x a m p l e s l a v e 棚 s a d d r 0：0 0 1 1 0 1 0 1 s a d e n 0：0 0 0 0 1 11 1 1 历舟面瓦珏丽可_ 兰丽丽西硒t - e x a m p l e2 s l a v e 铊 s a d d r 0= 0 0 1 1 0 1 0 1 s a d e n 0= 1 1 1 1 0 0 1 1 弋蕊翮面忑瑶鬲蟊翼盯币丽 e x a m p b3 s l a v e 档 s a d d r 0：0 0 1 1 0 1 0 1 s a d e n 0：11 0 0 0 0 0 0 。u 。a 。r 1 。t 。0 。a 1 。d 。d 。r e 。s 。s 。= 。o 。0 。x 。x 。x x 。x 。x 如果s c 0 n n 5 中的b i t 5 ( s m 2 ) = i ，单片机只有在接收到的第9 位r b 8 为 1 而且接收到了数据与串口地址才产生中断，当从机接收到地址后需要接收数据 则必须将s m 2 清零，接收完一帧数据后该从机又要将s m 2 位置1 以便忽略其他数 据直到下一次地址信息匹配。总之，如果地址不匹配。即使第9 位为1 串口也会 忽略该数据。 广播地址的使用，多个地址可以付给一个从机，而一个地址也可以付给多个 从机，因此允许以广播的形式同时向多个从机发送数据，广播地址是s a d d r n 和s a d e n n 两个数据的或的结果，而且0 被当做不考虑使用，典型的广播地址使 用0 】【f f ，只要把不考虑广播范围的地址位置1 就可以了。主控制器可以配置成接 收所有从机的传输数据，或者通过协议临时更换主从机的角色，以单工形式在主 从问进行传输。 自晴m p 醣4 ，s l a v e 剃 e x a m p l es s l a v e 抛 e x a m p l e6 。s l a v e 为 s a d d r 0= 0 0 1 1 0 1 0 1s a d d r 0= 0 0 1 1 0 1 0 1s a d d r 0= 0 0 1 1 0 1 0 1 坠! ! 堂 ：! ! 塑! ! ! ! 坠堕坐二! ! 塑塑堑坠里e n !：! ! ! ! 堕塑 慧鬻= 0 0 1 1 1 1 1 1 豫鬻= 1 1 1 1 0 1 1 1 慧黧：1 1 1 1 0 1 0 1 注意上面的第4 、5 、6 个例子如果使用0 】【f f 作为广播地址，那么它们都可 以识别，同时如果在第4 、5 、6 个例子中使用跟第1 、2 、3 一样的s a d d r n 和s a d e n n 寄存器值，那么主机可以通过掩码地址与每个从机地址单独通讯，也 可以通过广播方式跟三个从机同时发送数据。例如：主机发送一个地址 “1 1 1 1 0 1 0 1 ”，只有1 号从机能识别该地址有效，如果主机发送一个地址 “1 1 1 1 1 1 1 1 ”，那三个从机都能识别为一个有效的广播地址。 帧和传输错误：如果总线上正有数据在传输，用户软件又往串口缓冲寄存器 发送数据，那么传送冲突标志位( s c o n n 中的1 x c o i j l 位) 将置l ，注意，t x c o l n 位可以被当作s m 2 n 位使用，由软件控制，该位不会产生中断。 3 2 5 定时计数器 c 8 0 5 1 f 0 6 4 具有5 个定时计数器，定时器0 和1 是与标准8051 相兼容的 9 成都理i ：人学硕十学何论文 l6 位定时计数器。定时器2 、3 、4 是16 位的自动重载和捕获功能的定时计 数器，可以与a d c 、d a c 一起使用，或者用于方波的产生，或者其他一般用途。 这些定时计数器可以用于测量时间问隔或外部事件以及产生周期性中断请求，定 时器0 和1 基本样具有4 个基本功能；定时器2 、3 、4 是另外一个类型，除 了提供16 位的自动重载和捕获以外还能产生5 0 占空比的方波信号并且在管 脚上输出。 1 0 第4 章基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 的手持式能谱仪的硬件没计 第4 章基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 的手持式能谱仪的硬件设计 本章是本文的重点，将详细阐述核脉冲信号的放大与成形、多道脉冲幅度分 析器原理与实现、核脉冲信号分析与谱数据采集、以及数字电路部分的键盘接1 3 、 液晶显示接口等。图文并茂地说明各处技术细节是如何实现的。 4 1 手持式多道谱仪的系统结构 本课题旨在建立一套完整的手持式谱仪系统，采用当前高集成芯片实现传统 谱仪的功能。本系统的特点：1 ) 采用c 8 0 5 1 f 0 6 4 单片机作为本系统的m c u ；萄键 盘采用专用芯片，以中断形式进行处理；3 ) 充分利用c 8 0 5 1 f 0 6 4 运行速度高的的 优势，扩展出l c d 显示、s p i 、u a r t 等接口；钔采用手机液晶屏，显示美观， 更趋于人性化。 基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 构建的硬件平台，包括线性放大器、过峰检测、多道脉冲幅 度分析器、c 8 0 5 1 f 0 6 4 主控制器，键盘芯片z l g 7 2 9 0 的i l c 接口、液晶显示接口以 及实现与p c 机通信的u a r t 接口，系统整体框图如图4 1 所示。其工作过程为： 闪烁体与y 信号发生光电反应被光电倍增管接收并放大变成一定能量的电荷，经 电荷灵敏放大器后输出不同幅度的电脉冲信号，其幅度正比于射线能量。该信号 再经过线性脉冲放大器进行脉冲成形和放大，通过比较器实现上下阈值的设定和 过峰的检测。利用c 8 0 5 1 f 0 6 4 本身自带的高速a d c 实现多道脉冲幅度分析器功 能，将符合要求的模拟电压脉冲信号转换成数字信号并存储，c 8 0 5 1 f 0 6 4 可以对 数据进行分析，在l c d 上以谱线的形式显示或者通过u 舢r t 接口把数据上传给p c 机。 图4 1 系统硬件框图 1 l 成都理：i ：人学硕十学位论文 4 2 线性放大器 典型的放射性测量是通过观测电离装置的输出直流电流或输出脉冲计数率 来完成的。在这两种情况下，探测器输出的信号往往非常小，需要加以放大再进 一步处理。 为了减小探测器与放大器连接处存在的分布电容，一个主要措旌就是把放大 器和探测器安装在一起。但是，这样在实际中，系统比较笨重，且可能受到探测 器周围条件的限制，不便放置或操作。因此，往往将放大器分为前置放大器和主 放大器。前置放大器体积小，紧靠探测器并与探测器构成一个整体，称为探头。 这样，不仅可以提高系统的信噪比，而且还可以减小在传输过程中受外界的影响。 前置放大器输出的脉冲幅度和波形并不适合于后续分析电路的要求，所以要 对信号进一步放大和成形。为了得到最佳信噪比和提供脉冲幅度分析器所要求的 脉冲形状，也必须采用脉冲成形电路。这一环节称为主放大器或线性脉冲放大器。 在能谱分析中，对线性脉冲放大器的基本要求是：具有良好的线性、稳定的 增益和较强的抗过载能力。在放大和成形过程中，线性脉冲放大器必须严格保证 探测器输出的有用信息，如：射线的能量信息和时间信息，尽可能减少失真。在 核物理实验或其它实际应用中，对于能量分辨率不高的探测器，一般的放大器就 可以满足测量上的要求。但是，随着核探测技术的发展，尤其是各种半导体探测 器的出现，其能量分辨率有了很大的提高，往往要求放大器对总的能量分辨率的 影响不超过万分之几。因此，对放大器引起能量畸变的各种因素都要加以考虑， 原有的放大器不能适合新的要求了。 线性脉冲放大器的作用：一是接收来自探测器的脉冲信号，并对该信号稳定 地进行线性放大；二是完成脉冲的成形，将探测器探测到的尖脉冲略加平滑，成 为甄别误差小的平顶脉冲。这是由于噪声是影响能量分辨率的一个重要因素，在 此过程中，通过滤波成形电路抑制系统的噪声，使系统信噪比最佳，同时消除输 入脉冲的迭加现象，使输出波形顶部较平坦，满足后续分析测量设备的要求。具 体实现电路如图4 2 所示。 前置放大器输出信号经衰减后通过低噪声宽频带放大器l m 3 5 7 进行两级放 大。其中，第二级放大电路在简单的滤波电路的基础上做了进一步的改进，为了 改善在截止频率附近的频率特性，将输出电压经电容反馈到输入端，称为塞林凯 ( s a l l e nk e y ) 电路，又称为压控电压源电路【7 l ( 如图4 3 所示) 。此电路应注意 元器件参数的选择，否则容易引起自激。下面对该电路进行详细分析。 第4 章基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 的手持式能谱仪的硬件设计 4 2 i 线性放大 图4 2 线性脉冲放大器具体实现电路 图4 3 s a l l e n k e y 电路 线性放大器由若干具有反馈回路的放大级组成。为了防止电容耦合对脉冲形 状造成不希望的影响，放大器各级都采用直接耦合。实际上探测器输出信号已经 很高，信号放大基本上可以不需要，主要是放大和积分一起形成有源积分电路。 i 提高放大器线性的措施 提高放大器的线性，也就是要求放大器对各种幅度的脉冲信号放大倍数恒” 定，否则，也会造成谱线畸变。对线性放大器的一个基本要求是稳定性。然而， 放大器的增益可能受到电源电压不稳定、元件老化以及温度变化的影响。采用负 反馈，可以把各种不稳定因素减少到最小程度。 在实际中，往往采用深度负反馈，来获得高稳定度的闭环增益，从而得到很 好的线性。 放大器的幅度过载 在放射性测量中，往往有一些高能射线，在探测器中产生比被研究的脉冲幅 度大几十倍甚至上百倍的脉冲，这样的脉冲使放大器超出线性范围的同时，还使 其后一段时间内到来的低能射线信号得不到正常放大，从而使测量产生误差。这 种现象就是放大器的幅度过载，又称放大器的阻塞。 幅度过载，实质是由于放大器内的藕合电容在大幅度信号作用下的充放电， 造成晶体管工作点偏移。可以说，造成幅度过载的内在原因是耦合电容，外部原 因是高能射线的作用，造成的后果是漏计数和信号畸变。 克服幅度过载的主要方法有采用直接耦合电路。直接耦合，即去掉耦合电容， 成都理i = 大学硕士学位论文 将从根本上消除了幅度过载。如果全部采用直接耦合，零点漂移将很严重，使工 作点不稳，造成放大倍数不稳。但由于采用的高性能的运算放大器，零点漂移问 题在很大程度上得到克服。在反馈放大环节不多的情况下，尽可能采用直接藕合。 4 2 2 有源积分滤波电路 当成形波形为无眼宽尖顶脉冲时可以达到最佳信噪比，如图4 4 ( a ) 所示。尽 管这样的理想脉冲波形是无法实现的，而且还不符合后续电路的测量要求，但在 理论上，指出了信噪比的极限与成形波形的关系。在实际中，通常用比较简单的 实际滤波器来近似。希望尽可能使成形后的波形接近无限宽的尖顶脉冲，以获得 较好的信噪比，又能适合子后续电路的分析【1 】。高斯型波形是具有无限宽的脉冲， 而其顶部也保持一定的宽度，如图4 4 ( b ) 所示。实际中，脉冲的宽度总是有限的， 为了达到高计数率的测量要求，还应减小脉冲宽度。通常把波形接近于高斯型波 形的脉冲，称为准高斯型波形或半高斯成形。 圈4 4 ( a ) 无限宽尖顶脉冲波形高斯型脉冲波形 采用r c 积分滤波成形电路，可以获得准高斯型波形。在实际工作中，为了 更接近于高斯型波形，又有较高的信噪比，通常采用一级极一零相消成形电路和 2 4 级r c 积分滤波。 r c 积分滤波成形电路有两种：无源r c 积分电路和有源r c 积分电路。 有源滤波成形电路是由运算放大器、电阻和电容等电子元件组成。有源滤波 成形电路与无源滤波成形电路相比，更接近于理想的微分和积分特性。采用有源 滤波成形电路，可以把放大和滤波成形做在一起，既节省了元件，而且还减少了 滤波成形的级数，效果又好。 毒，云 图4 5 积分滤波成形电路 图4 5 是两级积分滤波成形电路。前一级是二阶有源积分滤波成形电路。脉 1 4 第4 章基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 的手持式能谱仪的硬件设计 冲信号从同相端输入，它对r c 网络有很高的输入阻抗。因此，电路的选频特性 基本上取决于r c 网络，改变r 6 与r 2 的比值，就可以获得所需要的增益。随后紧 跟一级无源r c 积分电路。核脉冲信号经过两级的积分滤波成形电路后，就可以 得到单一极性，顶部较圆，信噪比较高的“准高斯型波形”信号。 4 2 3s a l l e nk e y 电路频谱特性 运用f i l t e r l a b 2 0 频率滤波器辅助设计工具对上述s a l l e nk e y 电路进行测试， 其频谱特性如图禾6 所示，为二阶低通滤波器。f i l t e r l a b 2 0 是美 m i c r o c h i p 公司 推出的一款创新的滤波器免费下载软件，使用该软件避免了传统滤波器设计的繁 琐计算，使设计大大简化。 该软件所设计的滤波器具有： ( 1 ) 巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有l p f 一类滤波 器。 ( 2 ) 阶数1 8 。 ( 3 ) 增益1 1 0 。 ( 4 ) l p f 、b p f 、h p f = 种类型。 ( 5 ) 有塞林凯和多重反馈二种电路形式。 ( 6 ) 通带截止频率( p a s s b a n df r e q u e n c y ) ：0 1 i - i z l m h z 。 ( 7 ) 品质因素q ：0 5 5 0 。 ( 8 ) 阻带衰减( s t o p b a n d a t t e n u a t i o n ) ：1 0 d b 1 0 0 d b 。 成都理i ：大学硕十学位论文 图4 - 6s a l l e nk e y 电路的频谱特性 4 2 4 线性脉冲放大器波形 b g o 探测器，高压8 5 2 “ 4 ，1 2 v 供, 电，放大器使用1 2 v ，示波器型号t d s l 0 1 2 、 l 1 。l 一v 7一 “v ef e c 动作 圈 格式 圃 关于 存图像 选择 文件夹 储存 n 瑚伽1 b 忡 一2 捌v 1 2 _ m i p 昕1 e 岛 5 8 , 0 4 6 抽 第4 章基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 的手持式能谱仪的硬件设计 h kj l s t o pm 慨啪 弘v e _ r e c 动作 圃 格式 圃 关干 存图像 1 9 。_ 1 厂。一选择 v + 文件夹 储存 t e 蛐柚冲 c h ls vc h 2s v m , 置e o m c h i ，- 3 6 0 y 1 2 - m a y - 0 “ 1 7 ：0 0 v - 时，比较器输出高电平；v + v m 。当v 。上升沿大于下阈值时， v b 由低电平变为高电平，直到其下降沿低于下阈值时，才变回到低电平；当v t 上升沿大于上阈值时，v a 由高电平变为低电平，直到其下降沿低于上阈值时， 才变为高电平，而在c 点产生两个脉冲。如图4 - 1 5 所示。 可能会产生疑问：像这类脉冲幅度大于上阈值的核信号应该被滤掉，为什么 会产生两个脉冲呢? 该脉冲峰值会被转换吗? 答案是不会。这同峰值检测电路以 及控制电路有关。由于峰值检测电路总是确保在脉冲的峰值点产生上升沿，也就 是当c l k 为上升沿时，v a = l ，v b = h ，v c = l ，u = h ，禁止a d c 转换，该脉 冲不会被采样，被舍弃了。 第4 章基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 的手持式能谱仪的硬件设计 4 3 5 脉冲信号幅度的量化一a d 转换 脉冲信号幅度的量化由一个被称为模数转换器f a d c ，a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r ) 的器件来完成。a d c 转换的对象是脉冲信号的幅度，即脉冲的峰值。 a d c 是多道脉冲幅度分析器的核心，其性能指标将直接决定整机系统的某些指 标，所以对a d c 的某些特定指标有很高要求，如：转换精度、转换时间等。如果 兼顾到便携式仪器，选择a d c 还要考虑以下几个指标；转换时间、供电情况、芯 片功耗、封装、体积以及市场价格等。 a d c 按工作原理不同可分为：并行式和并串式、逐次逼近式、双积分式、 计数比较式等四种。其中，逐次逼近式a d c 转换速度中等，精度高，价格适中， 是工业控制中应用最多的一种。本课题采用c 8 0 5 1 f 0 6 4 内部自带的一个s a r 型 a d c 作为信号转换用，其内部结构如图4 - 1 6 所示，转换速度可达1 m s p s ，转换速 度可调；转换启动信号由前端触发器提供并连接c n v s t r 0 管脚，上升沿开始转 换【4 】。 a i n 0 a i n o g o c 。- 0 2 图4 - 1 6a d c 0 内部结构 4 4 手持仪器的数字处理部分 4 1 1c 8 0 5 1 f 0 6 与手机n o k i a 3 5 1 0 液晶的接口 本课题的人机界面使用n o k i a 3 5 1 0 液晶作为显示器，它采用s 1 d 1 5 g 1 4 控制 器，可以显示6 7 行9 8 y l j 2 5 6 色或4 0 9 6 色，接口方式有串行和并行两种，本方案采 用串行端口模拟时序方式进行控制。根据3 5 1 0 i 的9 位串行控制协议发送命令或数 据，先发命令数据位，然后发命令或数据，高位在前，具有时序见图4 - 1 7 s 1 d 1 5 g 1 4 的串行9 位接口时序。 成都理一i ：人学硕七学位论文 c o r a m a n dp a m r t m t e 哦) a t a e 吲d 7 ：j c 啄喇o ! ) ( 咧竺x 鬯恕硝* 蔓嘣鲥掣翅! 蚓粤趋! ) $ 喊o ，x 堡x 孽x m 缝 ! 厂厂几几几几几n 厂n 几几几n 几1 几n 几几n 图4 - 1 7s 1 d 1 5 g 1 4 的串行9 位接口时序 s 1 d 1 5 g 1 4 的串行接口与c 8 0 5 1 f 0 6 4 通过端e i p 3 的第0 3