基于ARM7的GPS定位便携式土壤测氡仪的研制.pdf

第 2 8 卷 201 2 年 第 5期 9 月 铀 矿 U r a niu r n 地 质 Ge o l o g y V0 1 2 8 No 5 Se p 2 01 2 D OI ：1 0 3 9 6 9 J is s n 1 0 0 0 - 0 6 5 8 2 0 1 2 0 5 0 0 7 基 于 ARM7的 G P S定位便携式 土壤测氡仪的研制 徐哈宁，肖 慧，黎正根，赵梦云 ( 东华理工大学核工程技术学院，江西 抚州 3 4 4 0 0 0 ) 摘要针对传统瞬时土壤测氡仪灵敏度低、体积大、数字化程度不高等缺点，研制出一种新型 基于 AR M7的GP S定位瞬时便携式土壤测氡仪。设计了全新的数据采集与控制电路，在保持测量准 确性的同时，提高了仪器的灵敏度、数据采集精度和处理速度；软件设计引入嵌入式操作系统 u c OS - I I ，提高了仪器的稳定性和可操作性 。野外测试结果表明，该仪器能够稳定、准确、快速地采集、 处理数据 ，适用于地质和水文勘查中氡气浓度的定量测量。 关键词测氡仪；A RM7 ；GP S ； 嵌入式操作系统 文章编号1 0 0 0 0 6 5 8 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 3 0 2 0 5 中图分类号P 6 3 1 6 3 文献标志码A 作为一种比较敏感的环境污染，氡的放射 性污染已成为社会所面临的严重问题之一。对 氡及其子体的测量和控制已经是多个学科共同 关心的问题。准确测量氡及其子体是采取防护 措施 的前提 。为此 ，近年来 国内外各种环境测 氡仪器不断涌现 ，它们针对不 同的应用场合 ， 采用了各种各样的方法_ _1 。 现有的瞬时便携式测氡仪 ( 以 F D - 3 0 1 7 R a A测氡仪为例)大多利用静电收集氡衰变 的第一代子 体 Ra A ( P o )作 为测 量对 象 ， 定量测量土壤或水中氡浓度 2 。其特点是没有 探i贝 0 器污染 问题、操 作简便 、现场 可获取结 果。但它们都属于第二代数字式仪器， 使用数 字电路构建，仪器的数字化程度不高，人机对 话能力差 ，并且没有辅助测量系统进行影响因 子校 正 3 _4 1 。 本文设计 了一种 基于 AR M7 ( Ad v a n ce d R I S C Ma ch i n e s 7 )的G P S 定位瞬时土壤测氡 仪。数字部分设计 以 AR M7为核心，通过控 制电路实现用户输入 、输出的液晶显示以及能 谱的存储传输等功能 ；模拟部分 电路主要包括 前置放大器 电路、主放 大器 电路、峰 判起 电 路 、采样保持 电路 、A D转 换电路 以及控制 电路等部分；控制器软件编写引入嵌入式控制 系统 u c OS - I I ，增加 了系统 的稳定性 和 可移 植性。G P S定位模块采用即插即用方式 ，D B 9 封装，不用时可作串口通信端口。该测氡仪具 有灵敏度高、处理速度快、数据存储量大 、便 携性好等优点 ，具有较好的应用前景 。 1 设计原理 P o 核素是 a 辐射体，是氡的一个短寿 基金项目国际合作项目 ( 编号：2 0 0 7 DF A2 0 7 9 0 )和江西省教育厅青年基金项 目 ( 编号 ：G J J 1 0 1 7 2 ) 。 收稿日期2 0 1 1 0 4 0 8 改回日 期2 0 1 2 0 6 0 5 作者简介徐哈宁 ( 1 9 7 9 一) ，男，2 0 0 7 年于西安工业大学获得测试计量技术及仪器专业硕士学位，主要 研究方向为核仪器的研制与开发。E - ma il ：d o u d - o u 1 6 3 co m 第 5 期 徐哈宁，等：基于 AR M7的GP S定位便携式土壤测氡仪的研制 3 0 3 命子 体 ，其 累积 达 到平 衡 的时 问 为 3 0 mi n ， 累积 1 0 mi n时 ，其 累积 量 达 到 平衡 时 累 积 量 的 9 O 左右 ；累积 1 5 rain时 ，累积量 达 到 约 9 6 ，再 增 加 累 积 时 间( 采 样 时 间) ， P o的 累 积 量 增 加 很 少 。可 以认 为 ， 采样 时间选 用 1 5 rain ， 。 P o基 本 达 到平衡 ， 通过快速收集 P o 核素，并测量其衰变时 辐射 出的 a射线活度 ，可以间接 了解氡 的存 在与 分 布 情 况 。系 统 设 计 框 图 如 图 1 所示 。 图 1 仪器结构框图 Fig 1 St r u ct u r e dia g r a m o f t h e ins t r u me n t 1 1 探测器、电荷灵敏放大器 o t 探测器由金硅面垒半导体探测器 和电荷 灵敏放大器组成 。金硅面垒半导体探测器把探 测到的 a射线转换成微弱的电信号 ，经电荷灵 敏放大器放大 ( 5 0 1 5 0 mV) 。电荷灵 敏放大 器的输出电压与电荷 Q成正比，能够反映入射 粒子 的能量。 鉴于半导体探测器输出信号的微弱性以及 电荷灵敏前置放大器的高敏感性 ，在实际设计 中采取了以下措施 ：( 1 )用金属盒对电荷灵敏 前置放大器进行电磁屏蔽 ；( 2 )半导体探测器 应避光 ；半导体探测器与电荷灵敏前置放大器 的连接线采用高频屏蔽信号线 ，并尽 可能短 ； ( 3 )电荷灵敏前置放大器的电源应非常稳定且 纹波小；( 4 )提供给半导体探测器的高压应稳 定且纹波小 。 1 2 主放大电路 主放大 电路 的基本 作用是 把核辐 射粒子 经探测器转换 而得到 的电脉冲信号 按一定 的 放 大倍数加 以放 大 ，并 给出足够 的输 出脉 冲 幅度 。放大电路 对幅度大小 不等 的脉冲信号 有同样 的放 大作用 即线性放 大 ，在放大器 的 输出端得 到具有 与核辐射 粒子 ( Ra A- a粒子 能量 6 0 0 Me V)能量分布相应的输出脉冲 ( 信号将被放大到 2 V左右 ，放大倍数为 2 0 倍 左右 ，考虑到 电荷灵敏放大器输出信号幅度的 差异性 ，采用放大倍数可调 的方法) 。 1 3 峰值保持电路 峰值保持 电路包括了脉冲检测电路 、过峰 检测电路 、峰值保持电路和控制电路 4大部分。 脉冲检测电路是通过设定电压阈值，将信 号中幅度小于阈值的噪声去除。由于半导体探 测器、电荷灵敏前置放大器和主放大器 自身都 存在噪声 ，去除这些噪声对探测核辐射至关重 要 。过峰 检测 电路 主要是 一个 L M3 1 9比较 器 ，通过 比较脉冲信号与保持信号的大小来完 成过峰检测。当脉冲信号比保持信号小时，即 认为脉冲己经到达峰位 ，并输出高电平 ，形成 上升沿触发 D触发器 ；峰值保 持电路 由一个 C A3 1 4 0放 大器 、开关二 极管 1 N4 1 4 8 、低 泄 漏保持电容等组成。脉冲信号通过开关二极管 对电容充电，同时由 C A3 1 4 0放大器增强驱动 铀 矿 地 质 第 2 8卷 能力 ，以便后续 的 A D转换器准确采样 。控 制 电路的作用是响应脉冲检测电路的上升沿输 出信号、响应过峰检测 电路的上升沿输 出信 号、响应微控制器的复位信号 、控制调理开关 C D 4 0 6 6 、输 出 A D启动信号。峰值保持电路 原理图如图 2所示 。 图 2 峰值保持电路 Fi g 2 Cir cu it o f pe a k ho l d 1 4 数字电路 数字部 分 设 计 以 ARM7 ( L P C 2 9 0 )为 核 心 ，包括 ：核 心 板 的 设 计 、GP S模 块 设 计 、键 盘、L C D 等部 分 。满 足 了人 机交 互 需要 的 同时 ，极 大地 加 快 了测 氡 仪 的处 理 速度 ，其 中扩 展 出 的 串 口，不 仅 可 以插 加 G P S模 块 ，还 便 于 与 上 位 机 联 机 的 数 据 传输 。 L P C 2 2 9 0基于 AR M7 T DMI _ S C P U 内核。 支持 ARM 和 T h u mb指令 集，芯片内集成 丰 富外设 ，而且具有非常低 的功率消耗 。设计中 利用 A R M7丰富的 G P I O接口简化了传统的 控制电路。采用S P I 总线进行数据传输。为了 便于在野外记录测量地点坐标，设计中添加了 G P S定 位模块 。G P S是迄今最好 的导航定位 系统 ，通信方式采用 RS 2 3 2 ( 9 6 0 0 b p s ) ，工 作 电压为 3 3 5 V；定位准 确度：S t a n d a r d D e v ：3 m ( 大 约 ) ，Ma x imu m De v ：1 0 m ( 最多) ；功耗 ：跟踪模式 5 2 mA。 2 系统软件设计 软件设计引入嵌入式操作 系统 u c o I I 。 u c 0 I I 是 源码公 开 的著名 实 时操作 系 统， 具有完整的、可移植 、可固化、可剪裁的占先 式实时多任务内核。u c O I I 使用 A Ns I C语 言编写，包含一小部分汇编代码，使之可以供 不同架构的微处理器使用。它具有高稳定性和 高可靠性，符合 R T C A D O - 1 7 B标准的认证。 第 5期 徐哈宁，等 ：基于 A RM7的 G P S定位便携式土壤测氡仪的研制 3 0 5 控制软件 的流程图见图 3 。 图 3 软件流程图 Fig 3 S o f t wa r e f l o w ch a r t o f t h e s ys t e m 3 仪器测试 3 1 测试条件 共布置 了 1 0个 测 点，每个 测 点 测量 1 0 次 ，测点距为 1 0 0 m。工作之前对仪器采用标 准液体镭源进行了标定 。通过抽筒将衰变出的 气体吸人气腔中，用-6 5 0 V左右的高压将其 衰变子体 R a A收集到特制的铝片上，高压时间 设置为 2 min 。野外测量工作按照氡气测量规范 进行。在测量点上用钢钎打 出 1 个 0 5 O 7 m 深的小孔， 然后把取样器插入孔内抽气， 使用新 型 A R M 7 土壤测氡仪与上海申核电子仪器厂生 产的 F D - 3 0 1 7土壤测氡仪进行对 比测量， 记录测 量结果。l O 个测点的测量数据平均值见图 4 。 3 2 结果分析 从图 4中可以看 出，该地 区土壤氡活度浓 度在 3 0 1 6 1 k B q m 。 ，2台仪器测试数据 基本相符 ，证 明了仪 器的稳定性 及野外 实用 性 。测试发现 ，植被覆盖的原土测点 ，由于土 质密实、潮湿，土壤氡活度浓度一般较低； 而 位于回填土处的测点 ，土壤类型变化很大 ，土 壤疏松密实不一 ，土壤氡活度浓度一般 较高， 其值高低变化较大 ，最大值超过全国平均水平 7 3 k B q ma l 7 的 2 倍多 。 4结论 本文设计 的新型基 于 AR M7的 GP S定 位 瞬时便携式土壤测氡仪 ，具有便携性好 ，数字 化水平高等特点 ，可满足野外稳定、准确 、快 速测量氡活度浓度的需要，提高了野外工作的 效率。该仪器 不但适 用 于野外测 试 ，在 去掉 GP S模块 ( 减小功耗)后 同样适用 于室 内氡 活度浓度的测试工作 ，可以广泛应用于地质和 水文勘探中氡活度浓度的定量测量。 图 4 两种仪器对 比测试结果 Fig 4 Re s u l t co m p a r is o n o f t wo in s t r u me n t s 1 一新型 A R M7 土壤测氡仪；2 一F 【 ) _ 3 O 1 7 土壤测氡仪。点距为 1 0 0 m。 M m 8 6 4 2 O 一 b 越 越妲酶磷 曰 3 0 6 铀 矿 地 质 第 2 8卷 参考文献 1郑奕挺 便携式连续测氡仪的研制 M 成都： 成都理工大学 ，2 0 0 6 ：4 2张国华 ，袁中凡 ，耿波，等 基于 AR M 的 a 能 谱测氡仪 的研制 J 核电子学与探测技术， 2 0 0 7 ，2 7 ( 5 ) ：8 3 6 - 8 3 8 3 硕良勋，刘昱 ，曲文斌 。 P o快速测氡仪的研 制 J 地 球 物 理 学 进 展，2 0 0 4 ，1 9 ( 4 ) ： 7 6 4 7 67 4 张国华， 袁中凡 ， 郑奕挺 基于间接测量方法的 便携式连续测氡仪的研制 J 四川 i大学学报， 2 0 0 7，3 9( 6 )：1 7 4 1 7 7 5 王玉双， 葛良全 一种新的便携式瞬时土壤测氡 仪的研制 J 核 电子学与探测技术，2 0 0 7 ， 2 7( 1 ) ：9 6 1 0 0 6王喜元 ，朱立，吕磊，等 中国土壤氡概况 M北京：科学出版社 ，2 0 0 6 7卫宏 测氡数据 的相似性分析 J 核技术 ， 2 0 0 1 ，2 4 ( 6 )：4 7 8 4 7 7 De s ig n o f GPS Emb e d d e d Po r t a b l e I n s t r u me nt f o r Ra d o n ARM 7 XU Ha n in g，XI AO H u i， LI Zh e n g - g e n，ZHAO M e n g y u n ( S ch o o l o f Nu cl e a r E n g i n e e r in g a n d Te ch n o l o g y， E a s t C h in a I n s t i t u t e o f Te ch n o l o g y，F u z h o u ，J ia n g x i 3 4 4 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a ct ：At pr e s e n t ， p o r t a b l e in s t r u me nt s f o r r a d o n me a s u r e me n t a r e l a r g e i n v o l u me， p o o r i n me a s u r e me n t s e n s it i v it y a n d d i g it iz e d d e g r e e W e h a v e de s i g ne d a n e w p o r t a b l e in s t r u me nt f o r r a d o n m e a s u r e me n t wit h GPS，n e w d a t a a cq u is it i o n a n d co n t r o l ci r cu i t b a s e d o n ARM 7 I t ha s h ig h e r s e n s it iv it y， a ccu r a cy a n d v e l o cit y Emb e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m ( u c OS - I I )wa s u s e d in s o f t wa r e d e s i g n f o r i n cr e a s in g s t a b il it y a n d o p e r a b i l it y Th e r e s u l t s o f f i e l d a s s a y s h o we d t h a t t h e in s t r u me n t ca n b e u s e d f o r r a d o n me a s - u r e me n t in g e o l o g i c a n d hy d r o g r a p h ic s u r v e y Ke y wo r d s：in s t r u me nt f o r r a d o n me a s u r e me n t ；ARM 7；GPS；e mb e d d e d o p e r a t i o n s ys t e m ( 上接第 3 1 0页，C o n t in u e d f r o m p a g e 3 1 0 ) Er o s io n De p t h Ca l cu l a t io n I t s App l ica t io n in b y Aco u s t ic Lo g g in g a n d S hih o n g t a n Ar e a SHANG Ga o f e n g，W E I Xia o - l o n g ，S ONG Z h e ，LI U