（核技术及应用专业论文）基于arm的核能谱数据采集系统的研究.pdf

论文题目： 专业： 研究方向： 姓名： 导师： 基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 核技术及应用 智能仪器 王敏 方方教授 作者简介：王敏，女，1 9 7 5 年9 月出生，安徽六安人，主要从事智能核仪器 研究。导师：成都理工大学方方教授。 摘要 核能谱测量是进行物质成分分析和放射性检测的重要方法之一。论文从核 能谱测量入手，瞄准国内外多道核能谱测量仪的发展趋势，结合现场工作的特 点，针对目前现场多道核能谱测量仪器中，诸如仪器功耗较高、体积较大、不 便于现场操作等问题，在关键技术( 如多道脉冲幅度分析器等) 方面，进行了 系统的研究。 论文对基于a r m 的核能谱数据采集系统作了详尽的论述。该系统以p h i l i p s 公司a r m 7 t d m i s 核的l p c 2 1 3 4 为控制处理核心，以高速低功耗的a d 芯片 a d 7 9 9 4 作为多道脉冲幅度分析器的模数转换器件，并配备3 2 0 x 2 4 0 点阵图形液 晶显示器，以及必要的人机交互按键及信息指示。总体来说，系统能自动显示 和存储谱线，并自动完成相关数据处理工作。同时，使用v c + + 6 0 编写了计算 机软件，系统可通过串行接口与计算机联机使用，扩大了数据处理、存储及输 出测量结果等功能。仪器的软件系统采用c 语言和汇编语言混合编写，充分利 用多种语言的混合编程技术以及不同语言的优点，在兼顾实时性处理的同时也 能很方便地进行数据处理。 关键词：嵌入式系统，a r m ，多道脉冲幅度分析器，r s - 2 3 2 接口软件系统，微 处理器 t i t l e ：t h es t u d yo fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e r mf o rn u c l e a rs p e c t r o m e t r y b a s e d0 1 3a r m m a j o r ：n u c l e a rt e c h n o l o g ya n da p p i i c a t i o n s r e s e a r c hd i r e c t i o n ：i n t e l l e c t u a li n s t r u m e n t n a m e ：w a n g m i n s u p e r v is o t ：p r o f f a n g f a n g a u t h o rin t r o d u c e ：w a n g m i n f e m a l e s e p t e m b e r , 1 9 7 5 l u - a nc i t ya n h u ip r o v i n c eo f c h i n a e n g a g e dw i t hi n t e l l e c t u a ln u c l e a ri n s t r u m e n t s u p e r v i s o r ：p r o f f a n g f a n g a b s t r a c t m e a s u r i n gt e c h n o l o g yo fn u c l e a re n e r g ys p e c t r u mi st h ef o u n d a t i o no fm a t t e r c o m p o s i t i o na n dr a d i o a c t i v i t yv e r i f y i n gb yw a y o fn u c l e a rm e t h o d s t h ep a p e rb a s e s o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g yo fn u c l e a re n e r g ys p e c t r u m ，a i m sa tt h ed e v e l o p i n g t e n d e n c yo fm e a s u r i n gt e c h n o l o g y o fm u l t i - c h a n n e ln u c l e a re n e r g ys p e c t r u m ， c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l dw o r k i n g ，f o c u s e so ns y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c ho n k e yt e c h n i q u e s ( s u c ha st h ed e s i g no fm u l t i - c h a n n e la n a l y z e r ( m c a ”，w i t hav i e w t or e s o l v ed e f e c t se x i s t i n gi nc u r r e n tp o r t a b l ea p p a r a t u sf o re x a m i p i eh i g hp o w e r , b i g s i z e ，t of i e l dw o r k i n gd i s a d v a n t a g e t h ep a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h es y s t e mo fn u c l e a rs p e c t r o m e t r yd a t ac o l l e c t i n g a n di t sp r o g e n yw h i c hb a s e do na r md e s i g n e db ym ei nd e t a i l t h es y s t e ma d o p t e d l p c 2 1 3 4a sc o n t r o l l i n gc o l e ，a n dl p c 2 1 3 4m a d eb yp h i l i p sc o m p a n yw h i c hu s e d a r m 7 t d m i - sc o r e a p l l l e dh i g hs p e e da n dl o wp o w e ra d c s ( a n o l o g - t o d i g i t a l c o n v e a e 塔) a d 7 9 9 4a n d3 2 0 x 2 4 0m a t r i xg r a p h i cl c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) a n ds o m en e c e s s a r i l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ea n di n f o r m a t i o ni n d i c a t i o n a sa w h o l e ，t h es y s t e mc a nd i s p l a ya n ds t o r es p e c t r u md a t aa u t o m a t i c a l l ya n da c c o m p l i s h d a t ap r o c e s s i n g a tm e a n t i m e , t h es o f t w a r eo fc o m p u t e rd e s i g n e db ym eu s e d v c + + 6 o t h es y s t e mc a nw o r kc o m b i n ew i t hc o m p u t e r sb yt h es e r i sp o r t ，w h i c hc a n e n l a r g ef u n c t i o n ss u c ha s d a t ap r o c e s s i n ga n ds t o r i n g , o u t p u t i n gt h er e s u l to f m e a s u r e m e n te t c t h ei n s t r u m e n ts o f t w a r es y s t e mi sw r i t t e nb ycl a n g u a g ea n d a s s e m b l el a n g u a g e u s i n gt h ev i r t u e so fv i r t u e so fm u l t i - l a n g u a g em i x e d p r o g r a m m i n gt e c h n i q u ef u l l y , w h i c hm a k e i tc a nd ow e l li ne i t h e rt i m e l yh a n d l i n go r p r o c e s s i n gd a t ac o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：e m b e d e ds y s t e m ，a r m ，m c a ，r s - 2 3 2i n t e r f a c e ，s o f t w a r e s y s t e m ， m c u 第一章前言 1 1 选题依据 第一章前言 随着人们生活水平的日益提高，人们对自身所处的自然环境越来越来关心， 放射性污染已被社会各界广泛关注。核辐射测量技术综合性很强，涉及到核辐 射探测、电子技术、计算机技术等多个相互交叉渗透的学科。它具有现场、快 速、多参数、安全、经济、适用、不受电磁干扰等特点，在地学和环境等诸多 领域已经成为一种重要的物质成分分析手段，也是医学、生物学、化学、考古 学和地质学等学科部门的辅助研究手段。 核能谱测量是核辐射测量的重要方法之一。通过核能谱信息的获取，能够 对相关核素进行定性和定量分析。其工作原理是不同核素在衰变过程中，释放 出的粒子或射线能量是不同的。探测器输出的电脉冲信号与入射粒子或射线的 能量成正比，测量脉冲信号幅度，得到入射粒子或射线的能量。 核能谱数据采集系统是以多道脉冲幅度分析器为核心，能独立完成核能谱 的获取和分析的整个过程，并有功耗低、体积小、便于携带等特点。 目前，嵌入式系统被广泛应用于核能谱数据采集系统的多道脉冲幅度分析 器之中。随着网络与通信技术的发展，嵌入式系统的应用已进入到一个高、低 端并行发展的阶段，其标志是近年来3 2 位微控制器的发展。a r m 是嵌入式系统 应用比较广泛的一种3 2 位微处理器核，具有体积小、功耗低、硬件调试方便等 适合现场操作的优点，更重要的是3 2 位机移植操作系统比较方便，有利于系统 的后续开发和升级。 为适应核能谱测量仪体积小、功耗低、实时性好、多功能等发展趋势的要 求，本论文研究设计的系统，硬件上采用了p h i l i p s 公司生产的3 2 位的a r m 微 控制器l p c 2 1 3 4 。 1 2 研究意义 传统的核辐射测量仪硬件上多采用分离器件或8 位单片机来设计，在固件 ( f i r m w a r e ) 设计上也多采用冗长繁琐的汇编语言，设计的效率和性能难以保证 并且功能单一，只能测量某一种射线，为现场环境监测带来较大的局限性。笔 者正是在对目前便携式核能谱数据采集系统广泛采用的硬件、软件系统研究的 基础上，研发了基于a r m 的核能谱数据采集系统。 该系统具有功耗低、方便易用等特点，并能够测量。、y 两种射线，适合 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 现场工作，在环境监测和评估等方面将有广阔的应用前景。因此，本论文研究 工作是非常有实用意义的。 1 3 研究现状 多道脉冲幅度分析器是核能谱数据采集系统中的重要组成部分，其性能在 很大程度上决定了整个核数据采集系统优劣，是后续数据处理子系统的基础。 从2 0 世纪5 0 年代起，多道脉冲分析器很快发展起来，成为获取核能谱数 据的通用仪器：7 0 年代中期，多道脉冲幅度分析器主要是以集成电路和微控制 器为基础；8 0 年代末期，智能化多道脉冲幅度分析器开始出现，单片机取代了 传统仪器中的定时器、控制器、运算器和计数器，并充分利用单片机具有的数 据处理、数据存储以及它与微机的通信能力；自9 0 年代初以来，贾文懿、方方、 周蓉生教授先后研制了以台式微机i s a 总线方式、以单片机为控制核心、以嵌 入式系统p c l 0 4 为控制核心等系列多道脉冲幅度分析器n 。以上所述的多道脉 冲幅度分析器的共同特点，是以分离器件或8 位单片机为控制核心，缺点是硬 件电路复杂、设计和调试难度较大、集成度低，系统稳定性较差、系统升级难 度较大、不易移植操作系统。2 0 0 0 年，c a n b e r r a 公司推出i n s p e c t o r2 0 0 0 多 道分析仪，它基于d s p 技术，功能强大但是价格昂贵，并且要依赖计算机进行 数据处理及谱线显示l i e l 。 从国内外核能谱数据采集系统发展现状来看，迄今为止，还没有将a r m 应 用到核能谱数据采集系统中的先例。因此，研究新一代仪器设备和方法技术是 有实际意义的，它无论在方法技术改进和实际应用等方面，均有大量探索和研 究工作，笔者正是根据上述的情况进行了基于a r m 的核能谱数据采集系统的研 究。 1 4 发展方向 随着核能谱数据采集系统智能化的发展，要求提舞大量数据处理能力，当8 位机无法满足这些提升要求时，3 2 位机的解决办法成为核能谱数据采集系统发 展的趋势；为满足系统进步开发和升级的要求，移植操作系统势必成为核能 谱数据采集系统软件研发的方向；另外，向网络和多媒体等高端控制领域的拓 展，也是核能谱数据采集系统的一个发展趋势。 1 5 研究内容 本研究的目标是设计一个基于a r m 的核能谱数据采集系统，系统由电源、 主放大器、峰值展宽电路、模数转换器、a r m 微控制器、3 2 0 2 4 0 大屏幕液晶 第一章前言 显示器、键盘、r s - 2 3 2 通信电路、实时时钟等部分组成，软件采用模块化设计。 整个系统具有低功耗、系统稳定、方便易用等特点。 主要研究内容： 以高速低功耗的a r m 作为控制核心，设计多道数据采集系统的有关软硬 件： m c u 与l c d 和键盘的接口设计； 与计算机进行通信的软硬件设计； 使用v c + + 6 0 完成计算机软件的设计。 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 2 1 方案选择 第二章系统方案选择 通过前期调研，系统方案确定控制核心为a r m 微控制器。在信号调理电路 中，其核心部分是探测器信号的获取及信号整形放大：在信号数据采集电路中， 其核心部分是信号峰值检测电路；在信号数据处理部分，其核心部分是基于a r m 的嵌入式系统及相应的软件开发。表2 - 1 列出了几种典型的微处理器系统对比 结果。 表2 - 1 几种典型的微处理器比较 处理器类型3 2 位a r md s p 数字信号 8 位单片机 开发难度大较大简单 开发成本便宜稍贵稍贵 开发周期稍长稍长短 性能指标强强比较弱 操作系统支持强稍强 弱 图2 - i 系统框图 4 第一章系统方案选择 由表2 - i 可以看出，a r m 在性能、开发成本、操作系统的支持等方面有明显 的优势，只是在开发周期方面相对较长。系统开发要以市场需求为主导，确定 系统的性能指标。系统的方案选择应该在满足系统功能要求的前提下，以其性 能及开发成本为核心指导思想。因此，在系统方案选择上，选择了基于a r m 的 嵌入式系统作为整个系统的核心，并在此基础上开发相应的软硬件。 核能谱数据采集系统主要由探测器、线性脉冲幅度放大器( 信号调理电路) 、 峰值检测电路、人机接口电路、嵌入式微机系统、供电系统电路以及相应的处 理控制软件系统构成。其在硬件上如图2 一l 所示，核心是一个基于a r m 的核能 谱数据采集系统。 作为一个核能谱数据采集系统，其数据处理功能( 结果分析以及成图成像 等) 是尤为重要的。由于标准的a r m 指令引入了一些功能强大的数字信号处理 器( d s p ) 指令，可以支持快速的1 6 1 6 位乘法操作及饱和运算。因此，以a r m 为控制核心的数据采集系统，可以满足数据处理方面的功能。或者也可以通过 串口、u s b 接口将数据传给计算机，如台式微机、笔记本微机或掌上电脑等来 完成数据处理和存储功能。 2 2 多道脉冲幅度分析器 一台完整的核地球物理仪器，常可分为两部分：核辐射探测器和嵌入式系 统。多道脉冲幅度分析器是嵌入式系统的核心部分。多道脉冲幅度分析器一方 面采集来自放大器的信号并进行模数转换，同时存储转换结果；另一方面将存 储的转换结果进行数据分析，并直接显示谱线，或者通过计算机接口送给计算 机进行数据处理和谱线显示。 图2 - 2 多道脉冲幅度分析器框图 多道脉冲幅度分析器的原理结构框图如图2 2 所示。脉冲信号在通过甄别 电路和控制电路时，甄别电路给出脉冲的过峰信息，并启动a d 转换。a d 转 换电路对脉冲信号峰值幅度进行模数转换，并将转换结果存储在片上f l a s h 中， 由微控制器进行相应的数据处理。 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 2 3a r m 嵌入式系统 a r m 嵌入式系统主要包括a r m 微控制器、数据存储、数据处理、人机接口、 软件系统这几部分组成。多道脉冲幅度分析器转换出的数字量尚需要进行定 的处理和显示，通常的作法是将数据传给上位机( 如台式微机，笔记本电脑，掌 上电脑等) 来完成。因为，a r m 嵌入式微控制器有功耗低、可靠性高、能作为一 个简单的微机系统等优点，本系统可以不依赖计算机，直接由a r m 嵌入式系统 来完成数据的处理、存储和显示工作。因此，本系统可以独立操作，适合现场 连续工作。 从半导体发展以及系统开发成本、可靠性方面来考虑，选用高集成度的芯 片，把各种功能都集中在一块芯片上，是我们今后仪器硬件开发的发展方向。 这样做的好处是： 1 高度集成各个功能模块，在硬件电路上，减少了外部连接，从而提高系 统可靠性，同时也降低硬件的开发难度：另一方面，集成度高还减少了使用芯 片的数量，降低了生产成本； 2 在底层软件驱动程序开发上，我们只需要对相应的资源进行配制，降低 了驱动程序开发难度，同时缩短了开发周期； 3 功能的集成，和分立元件相比具有功耗更低的优势。 基于以上恩想，本系统选用了基于a r m 的嵌入式系统作为本系统的控制核 j 心。 2 4 峰值检测电路 峰值检测电路根据实际需求可分为两种类型：数字型和模拟型。数字式峰 值检测电路要以高速处理器为核心，结合高速a d c ，在采样脉冲的控制下，对 信号进行连续测量，得到原始测量数据，再通过一种算法，解算出脉冲峰值信 息。比如我们一个脉冲是l p s 脉冲宽，那么我们至少在1 t s 内进行大于1 0 次以 上的a d c 转换值，然后再对这些值进行处理，得到一个最大值，认为这个值是 峰值，接着这个值与我们设定的阙值进行比较，如果是大于闽值，那么我们认 为是一个脉冲峰值，否则，认为是干扰噪声，我们丢弃这个数据。这就要求我 们的c p u 有足够的处理速度，a d c 有足够快的转换速度。典型的方案是b s p 处 理器结合f p g a 以及高速a d c 。模拟型峰值检测电路相对就简单多了，只有在脉 冲信号到来的时候，峰值检测电路给出过峰时间信息，启动a d c 转换。难点在 于这个峰值信息的获取，以及峰值信号的采样保持。 从功能角度考虑，数字型峰值检测电路相对于模拟型峰值检测电路来说， 具有更大的灵活性、准确性、可靠性等优点。但考虑到放大电路输出射线脉冲 第二章系统方案选择 宽度的本身特性，综合了开发难度、开发周期、开发成本等实际问题，我们选 用了模拟型峰值检测电路方案。 2 。5 数据存储 数据存储( 保存测量数据) ，要求在掉电时，能够保证测量数据不丢失。本 系统中选用的a r m 微处理器系统，具有1 2 8 k b y t e 片上f l a s h 。系统可以对此片 上f l a s h 进行软件读、写操作。根据实际需求，本系统把这个f l a s h 划分为两 个空间，分别是程序存储部分( 占5 8 k b y t e ) 和数据存储部分( 占7 0 k b y t e ，最 大可以存储3 0 条5 1 2 道d 谱和2 0 条1 0 2 4 道y 谱) 。因此，片上f l a s h 能够满 足系统对程序代码以及测量数据进行保存的需要。由于f l a s h 具有掉电情况下 数据不丢失的特点，所以非常适合用于本系统的数据存储。本系统中，还可以 利用a 蹦的s p i 接口扩展外部大容量串行f l a s h 作为测量数据存储之用。 为便于保存临时变景数据，系统中必须有一定容量的s r a l 作为系统的缓存， 本系统利用片上的1 6 k s p 洲作为数据缓存。 2 6 通信接口 以a r m 微处理器为核心的核能谱数据采集系统除了能独立工作外，也可与 笔记本电脑，掌上电脑等联机工作，充分发挥计算机存储容量大、计算能力强 等优点，完成数据的备份、处理和计算等工作，这就需要通过接口进行数据通 信。 由于串口具有所用的传输线少，适合于远距离传输，软硬件设计简单等优 点，本系统采用r s 2 3 2 通信标准的串口进行数据传输。 2 7 系统软件 系统软件主要实现多道能谱的处理、显示、存储等功能，以及提供友好的 人机交互界面。一个完整的核能谱数据采集系统的软件，应具有以下特点： 实时显示全谱曲线，给出测量时间、能量等信息； 可以进行系统刻度、能量刻度等系统参数修正，测量参数设置等功能； 具有基本的文件管理功能； 用户界面友好，易于操作。 由于在液晶显示上，基本的画点画线等功能均无系统库函数支持，尤其在 数据的处理上，传统的汇编语言在多字节数据处理、浮点数处理上有着很大的 难度，编程异常复杂。本系统采用汇编语言和c 语言混合编程，在兼顾了实时 性处理的同时，也解决了数据、图形处理方面的难题。 7 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 第三章a r m 微处理器系统 本章介绍的是a r m 微处理器系统及部分片内外设电路。a r m 微处理器系统是 整个系统的控制处理核心，它的性能直接影响到整个系统的性能。 3 1a r m 微处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份 额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 技 术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠 转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片“。 1 a r m 的系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、 a r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 、s t r o n g a r m 以及其它厂商基 于a r m 体系结构的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系 列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提 供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 2 应用领域 a r m 微处理器的主要应用领域有： 工业控制领域； 无线通讯领域； 网络应用； 消费类电子产品： 成像和安全产品。 3 a r m 的特点 a r m 微处理器采用r i s c 架构，它具有如下特点： 小体积、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位 器件； 8 第三章a r m 微处理器系统 大量使用寄存器，指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 3 2a r m 7 t d m i _ s 简介 l p c 2 1 3 4 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i - s ”c p u 的微控制器。a r m 7 t d m i s 是一个通用的3 2 位微处理器核，它 可提供高性能和低功耗。a r m 结构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计 的“。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一 个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。 a r m 7 t d m i s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特的结构化策略，它非常 适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。它具 有两个指令集：3 2 位的a r m 和1 6 位的t h u m b 指令集。t h u m b 指令集的1 6 位指 令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密度，却仍然保持a r m 的大多数性能 上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位处理器所不具有的。这是因为 t h u m b 代码和a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄存器上进行操作。t h u m b 代码仅 为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接到1 6 位存储器系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 。 3 3l p c 2 13 4 主要特性及功能模块 本系统所选择的a r m 微控制器是p h i l i p s 公司生产的a r m 7 系列的l p c 2 1 3 4 芯片。l p c 2 1 3 4 的结构框图见图3 1 所示，它包含一个支持仿真的 a r m 7 t d m i s “c p u 、与片内存储器和控制器接口的局部总线，与中断控制器接口 的a h b ( a d v a n c e dh i g h p e r f o r m a n c eb u s ) 总线和连接片内外设的v p b ( a d v a n c e d p e r i p h e r a lb u s ) 总线1 。l p c 2 1 3 4 将a r m t t d m i s 配置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 a h b 外设分配了2 m b 的地址范围，它位于容量为4 g b 的a r m 存储器空间的最 顶端。每个a h b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。l p c 2 1 3 4 的外设功能( 中断控 制器除外) 都连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。 v p b 总线e 的外设也分配了从3 5 g b 地址点开始的2 m b 的地址范围。每个v p b 总线上的外设在v p b 地址空间内都分配了1 6 k b 地址空间。 片内外设与器件引脚的连接通过引脚连接模块控制，软件通过控制该模块 让引脚与特定的片内外设相连。 9 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 图3 - 1l p c 2 1 3 4 的结构框图 l p c 2 t 3 4 具有如下的主要特性： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装： 1 6 k b 的片内静态r a m 和6 4 k b 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度 接口力口速器可实现高达6 0 m h z 工作频率； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p ，i a p ) 。单个 f l a s h 扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。l m s 时间可编程2 5 6 字节： e m b e d d e d l c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码 进行实时调试和高速跟踪； 2 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换 时间低至2 4 4 u s ； 1 0 第三章a 蹦微处理器系统 1 个1 0 位的d 怂转换器，可产生不同的模拟输出； 2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 和看门狗； 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总线 ( 4 0 0k b i t s ) 、s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p ； 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； 小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) 。 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚； 通过片内p l l ( 1 0 0 u s 的设置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作 频率； 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为l 3 0 m h z ，与外部振荡 器的操作频率范围高达5 0 m i k ； 2 个低功耗模式：空闲和掉电； 可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 单电源供电，含有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路； c p u 操作电压范围：3 0 v 3 6 v ( 3 3v 1 0 ) ，i o 口可承受5 v 的电 压。 3 3 1 片内存储器 l p c 2 1 3 4 集成了一个1 6 k 的s r a m 及1 2 8 k b 的f l a s h 存储器系统。s r a m 支持 8 位、1 6 位和3 2 位访问，可以用作数据缓冲区，f l a s h 存储器可用作代码和数 据的存储。对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现：使用 t a g 或串口。 当通过串口进行在系统编程时，应用程序可以在程序运行时擦除和或编程 f l a s h ，这样为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。l p c 2 1 3 4 的 f 1 a s h 存储器至少含有1 0 ，0 0 0 个擦除写周期，数据至少可保存2 0 年“。 l p c 2 1 3 4 的存储器映射包含几个不同的区域，见图3 2 。此外，c p l 3 的中断 向量可以重新映射，允许它们位于f l a s h 存储器( 默认) 或者片内静态r a m 当 中。 成都理t 大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 3 3 2 管脚连接模块 a h b 外设 v a p 外设 保留地址空间 b 0 0 t 块 保留地址空间 16 k 的片内静态r a m 保留地址空间 12 8 的片内菲易 失性存储器 图3 2 存储器映看 0 x f f f ff f f f ox f o o o0 0 0 0 管脚连接模块允许将微控制器的管脚配置为不同的功能，配置寄存器控制 连接管脚和片内外设的多路开关。在激活外设以及使能任何相关的中断之前， 将外设连接到相应的管脚。任何一个被使能的外设，如果其功能没有映射到相 关的管脚，对它的激活将被认为是未定义的1 。管脚连接模块包含3 个寄存器， 见表3 - 1 。 表3 1 管脚连接模块的寄存器 名称描述 访问 地址 p i n s e l o 管脚功能选择寄存器0读写 o x e 0 0 2 c o o o p i n s e l l 管脚功能选择寄存器1读写 0 x e 0 0 2 c 0 0 4 p i n s e l 2 管脚功能选择寄存器2读写0 x e 0 0 2 c 0 1 4 没有连接到特定外设功能的管脚由g p i o 寄存器进行控制。管脚可以动态配 置为输入或输出，寄存器同时对任意个输出口进行置位或清零，输出寄存器的 值以及管脚的当前状态都可以读出，具有如下特性： 第三章a r m 微处理器系统 单个位的方向控制； 输出置位和清零可单独控制； 所有1 o 在复位后的默认状态都为输入。 3 3 3a r m 系统控制模块 1 复位电路： l p c 2 1 3 4 有2 个复位源：r e s e t 管脚和看门狗复位。r e s e t 管脚是一个旌密 特触发输入管脚，带有附加的干扰滤波器。 外部复位一旦有效，复位状态将一直保持到外部复位撤除，振荡器开始运 行为止。振荡器运行经过固定数目的时钟后f l a s h 控制器完成其初始化。处理 器从复位向量地址0 开始执行。此时所有的处理器和外设寄存器都被初始化为 预设的值。 由于晶振予系统使用的是外部晶体，开始上电时，r e s e t 脚的低电平信号必 须保持l o m s 。本设计为了增加系统的可靠性“”，使用了专门的复位芯片m a x i n 公司的m a x 8 0 9 。原理图如图3 3 所示： = = 图3 - 3 复位电路图 这里需要注意的是在选择c a t 8 0 9 芯片的闽值电压。”时，电压值不能太低， 否则系统依然会不稳定。经过测试若阈压值低于2 9 3 v 就会造成系统的不稳定。 因此，本系统选择了2 9 3 v 。 2 代码安全 l p c 2 1 3 4 可控制应用代码是否被调试或被保护以防盗用。当片内 b o o t l o a d e r 在f l a s h 中检测到一个有效校验和并在f l a s h 的o x l f c 地址单元 读取0 x 8 7 6 5 4 3 2 1 时，禁止调试，f l a s h 代码被保护。一旦调试被禁能，它就只 能通过执行芯片擦除来使能。本系统并未使用此功能。 3 功率控制 l p c 2 1 3 4 支持两种低功耗模式：空闲模式和掉电模式。在空闲模式中，指令 的执行被暂停，直到产生复位或中断为止。空闲模式使处理器自身、存储器系 统和相关的控制器以及内部总线不再消耗功率。 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 由于本设计目标为便携式仪器，对于功耗有着特殊的要求，所以软件部分 充分考虑其节能，在没有外部中断和处理数据时，c p u 进入空闲状态，并且关 闭没有运行的外设，以节省系统功耗。 4 仿真和调试 l p c 2 1 3 4 支持通过j t a g 串行端口进行仿真和调试。跟踪端口允许跟踪程序 的执行。调试和跟踪功能只在g p l 0 的p 1 口复用，由于本系统所需的i o 不多， p 1 口没有进行复用。这意味着当应用在嵌入式系统内运行时，位于p 0 口的所 有通信、定时器和接口外设在开发和调试阶段都可用。j t a g 连接图如3 - 4 所示： v d d 3 3j 1 0 3v d d 3 3 图3 4j i a g 接口电路图 注意： 一般来说，当使用j t a g 调试时，p o 1 4 脚必须接上拉电阻( p 0 1 4 脚为开 漏输出) ，让其保持高电平状态；使用i s p 下载程序时，则要使p 0 1 4 脚保持 低电平状态。对于初始状态不同的芯片，要不同对待。 在用j t a g 调试过程中，最常遇到的问题就是无法写内部f l a s h ，这个问题 有以下几个原因： 电路焊接，有虚焊的地方，特别是复位和j t a g 电路； p o 1 4 脚状态不对； 芯片处于保护状态； 芯片的初始状态不定。 在遇到此类问题时，可以先从简单到复杂来检查。首先要检查各个芯片的电 源引脚，以及各个关键引脚的状态是否正确，这样可以判断有无虚焊和p o 1 4 脚问题。当这些检查完毕，若各个状态都很正常的情况下，试将p o 1 4 脚接低 电平试试，这是因为芯片出厂时，它的初始状态有时并不一样( 占少数) 造成 的。如果仍然无法写入，说明芯片处于保护状态，这时可以通过串口用i s p 对 1 4 第三章a 删微处理器系统 芯片进行擦除，此时就可以通过正常方式进行调试了。 3 3 4 通用定时器计数器 l p c 2 1 3 4 具有2 个3 2 位可编程定时计数器，均具有4 路捕获、4 路匹配并 输出电路。 定时器对外设时钟( p c l k ) 周期进行计数，可选择产生中断或根据4 个匹 配寄存器的设定，在到达指定的定时值时执行其它动作。定时器还包括4 个捕 获输入，用于在输入信号发生跳变时捕获定时器值，并可选择产生中断。 特性： 带可编程3 2 位预分频器的3 2 位定时器计数器； 外部事件计数器或定时器操作； 当输入信号跳变时，4 个3 2 位捕获通道可捕获定时器的瞬时值。捕获 事件可选择产生中断； 4 个3 2 位匹配寄存器： 每个定时器有4 个对应于匹配寄存器的外部输出。 本系统选用定时器0 来为测量时间计时及系统计时，定时器时间到后，刷 新用户晃面上的系统时间显示。如果在测量过程中，刷新测量时间显示，同时 预设时间减l ，若不为零继续，为零则测量时间到，结束测量。 定时器1 负责定时扫描键盘，每5 0 m s 扫描一次键盘，检测有无按键按下， 若有则产生中断，执行相应的按键功能，若无刚继续执行。 3 3 5 实时时钟 当选择正常或空闲模式时，实时时钟( r t c ) 提供一套用于测量时间的计数 器。r t c 消耗的功率非常低，这使其适合于用电池供电、c p u 不连续工作( 空闲 模式) 的系统。 实时时钟的特性： 对时间段进行测量以实现一个日历或时钟； 超低功耗设计，支持电池供电系统； 提供秒、分、小时、日、月、年和星期； 可使用r t c 专用的3 2 k h z 振荡器或x t a l l 连接的外部晶体振荡器输入 的时钟。可编程基准时钟分频器允许调节r t c 以适应不同的晶振频率专用电源 管脚连接到电池或3 3 v 的电压。 在使用内部时钟时需要注意的是，必须外加电源，否则，断电后，r t c 将停 止工作，开机时必须重新设置时间。 成都理工大学硕士论文：基于a r m 的核能谱数据采集系统的研究 第四章核能谱数据采集系统相关硬件设计 采集系统硬件设计，始终围绕系统的小型化、低功耗的要求。因此，无论 是采集系统的多道脉冲幅度分析器、电源，都围绕这两个核心进行设计。 4 1 多道脉冲幅度分析器设计 多道脉冲幅度分析器是多道数据采集系统的核心部件。多道脉冲幅度分析 器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路、a r m 嵌入式系统组 成，控制核心为嵌入式系统。它的基本功能就是按输入脉冲的幅度分类计数。 多道脉冲幅度分析器将能够分析的脉冲幅度范围分成多个幅度间隔，幅度间隔 的个数就是脉冲幅度分析器的道数，幅度间隔的宽度就是脉冲幅度分析器道宽。 道数越多，幅度分布分析的越精细，各个道的计数相应减少，需要测量的时间 就要加长，硬件电路也随着复杂，因此，不应盲目追求道数。通常，要求在幅 度峰的半宽度范围内应有5 一l o 道，对于采用n a l 探测器的多道能谱仪，由于 它的能量分辨率比较差，1 2 8 道至2 5 6 道就能满足测量要求。对于半导体探测 器，则需要1 0 2 4 - - 8 1 9 6 道。 4 i 1 脉冲线性主放大器 主放大器是放在前置放大电路和甄别电路之间，需要增益调节来补偿核辐 射探测器输出脉冲幅度的变化。 由于探测器输出的脉冲信号幅度比较小( 为几十毫伏至几百毫伏) ，脉冲宽 度比较窄，为了能进行信号幅度分析，实现能谱测量，需要脉冲线性放大器将 脉冲信号进行幅度的线性放大与脉冲的成形。脉冲放大器的主要技术指标有： i 放大倍数：应按放大器的输入脉冲幅度和所要求的输出幅度来确定。因 为前放输出的电脉冲信号幅度一般可以调至几百毫伏左右，放大器输出脉冲幅 度在l 5 v 范围内，所以放大倍数应在1 0 倍左右，考虑到前置放大器输出的信 号幅度有差异性，放大倍数采用可调试。 2 放大器的频带宽度：前放输出的脉冲宽度受有关电路影响，一般为几个 肛s ，因此，要求放大器的频带宽度为1 2 m h z 。 3 放大器的噪声：考虑到来自前放的信号幅度比较小，要求选用的放大器 的输入噪声应尽可能的小。选用低噪声的运算放大器元件可以有效减少电路内 部固有的噪声“8 。”。 4 其他，诸如放大器的输入阻抗、抗计数过载、放大器的稳定性、功耗等 1 6 第四章核能谱数据采集系统相关硬件设计 在电路设计和调试时也应考虑。 脉冲线性主放大器的电路示意图如图4 一l 和4 2 所示( 可以接收前放输出的 正脉冲或者负脉冲) 。由于n 脉冲信号通过整形后大概有i 2 个微秒的脉冲宽， v 脉冲信号通过整形后大概有3 5 个微秒的脉冲宽，所以在选用运算放大器时 要考虑到运放的转换速度。本系统运算放大器选用c a 3 1 4 0 ，它具有输入阻抗高、 噪声低、功耗小、温漂小等特点“，主要参数： 开环增益：l o o d b ； 输入阻抗：1 5 1 0 1 2 0 ； 增益带宽乘积：4 5 m h z ； 转换速度：9 v 屈s ； 工作温度范围：一5 5 + 1 2 5 。 图4 - i 负脉冲线性放大器原理图 主放大器的主要参数经测试或估算如下： 放大倍数：5 1 5 倍； 脉冲幅度放大线性范围：2 0