多道脉冲幅度分析器

XXX大学XXX学位论文基于ARM的多道脉冲幅度分析器数字系统设计姓名：XXX申请学位级别：XXX专业：核工程与核技术指导教师：XXXXXX摘 要I基于ARM 的多道脉冲幅度分析器数字系统设计摘要随着电子技术的不断发展，各种智能核仪器逐步走向自动化、智能化、数字化和便携式的方向发展。针对传统的多道脉冲幅度分析器体积大，人机交互不友好，不方便现场分析等的缺陷5。新型的高速、集成度高、界面友好的多道脉冲幅度分析器的陆续出现填补了这一缺点。随着电子技术的发展，以ARM 为核的处理器技术的应用领域不断扩大，相比较单片机而言，它的主频高、运算速度快，可以满足多道脉冲幅度分析器的苛刻的时间上的要求。而且ARM 处理器功耗小，适合于功耗要求比较苛刻的地方，这些方面的特点正好满足了便携式多道脉冲幅度分析器野外勘察的要求。同时，由于以ARM 为核的处理器具有丰富的外设资源，这样就简化了外设电路及芯片的使用，降低了功耗并增强了产品的信赖性。另外，ARM 芯片可以方便的移植操作系统，为多道脉冲幅度分析器多任务的管理和并行的处理，甚至硬实时功能的实现提供了前提。而且在ARM 平台使用嵌入式linux 操作系统使多道脉冲幅度分析器的软件易于升级。智能化和小型化是多道脉冲幅度分析器的发展趋势。智能化要求系统的自动化程度高、操作简便、容错性好。智能化除了需要控制软件外，还需要软件命令的执行者即硬件控制电路来实现相应的控制逻辑，两者的结合才能真正的实现智能化。小型化要求系统的体积小、功耗小、便于携带；小型化除了要求采用微功耗的器件，还要求电路板的尺寸尽量的小且所用元件尽量的少，但小型化的同时必须保持系统的智能化，即不能减少智能化所要求的复杂的逻辑和时序的控制功能。为此采用高集成度的ARM 芯片实现控制电路能满意地同时满足智能化和小型化的要求。在研制的多道脉冲幅度分析器中，几乎所有的控制都可以用控制芯片来实现，如阈值设定、自动稳谱以及多道数据采集，在节省了元件的数目和电路板的尺寸的同时仍能保持系统的智能化程度。linux 内核精简而高效，可修改性强，支持多种体系结构的处理器等，使得它是一个非常适合于嵌入式开发和应用的操作系统。嵌入式Linux 可以运行的硬件平台十分广泛，从x86、MIPS、POWERPC 到ARM，以及其他许多硬件体系成都理工大学硕士学位论文II结构。目前在世界范围内，ARM 体系结构的SOC 逐渐占领32 位嵌入式微处理器市场，ARM 处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，例如：工业控制，无线通讯，网络，消费类电子，成像等。本课题采用三星公司生产的ARM(Advanced RISC Machines, 先进精简指令集机器) 芯片S3C2410A 设计并研制了一种便携式的核数据采集系统设计方案。利用ARM 芯片丰富的外设资源对传统的多道脉冲幅度分析器进行改进和简化。系统由前端探测器系统，以及由线性脉冲放大器、甄别电路、控制电路、采样保持电路组成的前置电路，中央处理器模块，显示模块，用户交互模块，存储模块，网络传输模块等多个模块组成。本设计基于ARM9 芯片S3C2410，并在此平台上移植了嵌入式linux 操作系统来进行任务的调度和处理等。电路板核心板部分设计采用 6 层PCB 板结构，这样增加了系统可靠性，提高了电磁兼容的稳定性。数据采集系统是多道脉冲幅度分析器的核心，A/D 转换直接使用了S3C2410 内置的ADC(Analog to Digital Converter, 模数转换器)，在2.5 MHz 的转换时钟下最大转换速度500 KSPS(Kilo-Samples per second,千采样点每秒)，满足了系统最低转换时间5 s 的要求，并且控制简单，简化了外部接口电路。由于SD(Secure Digital Card, 安全数码卡)卡存储容量大、携带方便、成本低等优点，所以设计中采用其作为外部的数据存储设备,其驱动部分采用SD卡软件包，为开发带来了方便。本设计采用640*480 的6.4 寸LCD(Liquid CrystalDisplay, 液晶显示)屏作为人机交互的显示部分，并且通过Qt/Embedded 为系统提供图形用户界面的应用框架和窗口系统。其中包括了波形显示部分和用户菜单设置部分，这样方便了用户操作。系统的数据存取方面是基于SQLite 嵌入式小型数据库而进行的。为了方便数据向上位机的传输，系统设计中采用XML(EXtensible Markup Language, 可扩展标记语言)格式来组织传输的数据，通过基于TCP/IP ( Transmission Control Protocol/Internet Protocol )协议的Linux 下Socket 套接字编程，来进行与上位机或PC(Personal Computer, 个人计算机或桌面机)等的连接和数据传输。关键词：多道脉冲幅度分析器数据采集 ARM Linux Qt/EmbeddedAbstractII IDesign of Digital System of Multi-Channel Pulse AmplitudeAnalyzer Based on ARM-LinuxIntroduction of the author: Libingbing, male, was born in January, 1981 whosetutor was Professor Wujianping . He graduated from Chengdu University ofTechnology in Nucleus Science and Applicationmajor and was granted the MasterDegree in June, 2009.AbstractWith the constant development of electronic technology, a variety of intelligentnuclear equipments become more intelligent, more portable gradually. For thetraditional multi-channel pulse amplitude analyzer bulky, and human-computerinteraction unfriendly, not convenient for analysing pulse in the scene5. High-speed,highly integrated, user-friendly multi-channel pulse amplitude analyzer appeared to fillthe shortcomings.With the development of electronic technology, processors based on ARM corehas been used more and more widely. compared to single-chip, MCU based on ARMhas advantages of high speed, and can meets time requirements of multi-channel pulseanalyzer. Power consumption of ARM processor is very low, so the type MCU issuitable for some field occasions that required low consumption. the characteristics ofARM can just meet requirements of portable multi-channel pulse amplitude analyzer.At the same time, the ARM core processor has a wealth of peripheral resources, thussimplifying the peripheral circuits, reducing power consumption and enhancing thereliability of the product. In addition, ARM chips can easily portable with varibleoperating system, this can help multi-channel pulse amplitude analyzer to managemulti-tasks and parallel processing routines, and even provide a chance to come truehard real-time system. Using embedded linux operating system based on ARMplatform enables multi-channel pulse amplitude analyzers software modules upgradeeasily.Miniaturization is a trend of intelligent instruments and multi-channel pulseamplitude analyzer. Intelligent systems require a high degree of automation, operationfriendly, good fault tolerance. In addition to the need for intelligent control, system alsoneed for hardware control circuit to achieve the corresponding control bination of two above can meet requirements of a real intelligent instruments.Requirements for small-scale systems that need small size, low power consumption,easy to carry; In addition to need micro-consumption components, also the size ofcircuit board and fewer components is required. but the miniaturization of the systemmust be maintained at the same time intelligent, that requirement of intelligence need成都理工大学硕士学位论文IVnot to reduce the complexity of the logic and timing control functions. Useing highlevel integrated ARM chips can be satisfied at the same time meet the requirements ofintelligence and small volume. In the system, almost all operations controlled by ARMchips can be achieve all requirments such as threshold settings, automatic spectrumstabilization, as well as multi-channel data acquisition. In saving the number ofcomponents and circuit board size at the same time maintains the level of intelligentsystems.Linux kernel can be easily modified to support multiple processors and variablearchitecture. It also be suitable for embedded operating system. Embedded linux canrun on deferent platforms, from x86, MIPS, POWERPC to ARM. Currently, CPU ofARM architecture occupied gradually most market of 32-bit embedded microprocessor,ARM processor is used in many fields. such as: industrial controlling, wirelesscommunications, networking, consumer electronics, imaging conduction and so on.Multi-channel pulse amplitude analyzer is a key circuit in nuclear spectruminstrument. so, the design of multi-channel pulse amplitude analyzer based on platformof ARM-Linux is introduced in this paper. The instrument used ARM9 as core. and hasmulti-functions such as: data acquisition, data process, signals control, data displayedin real time. The paper put emphasis on pre-amplify circuits and driver modules.Because of luxuriant peripheral resource, the instrument based on ARM is simplifiedcompare to traditional multi-channel pulse amplitude analyzer designed with 51 MCU.The system provide a kindly Graphical User Interface based on Qt/Embeded Lib. Theoverall paper offered a new solution for designing of a instrument platform ofintellectual energy spectrum by introducing the software and hardware module of thesystem.Circuit board designed with 6 layers PCB board structure that has increasedreliability, improved the stability of the electromagnetic compatibility. Data acquisitionsystem is a multi-channel pulse amplitude analyzers core, and data acqusition moduleof the system used built-in ADC of S3C2410. The ADC can meets the minimumconversion time requirements with the max conversion speed of 500 KSPS. With themerits of SD card , the design used it as external data storage devices. SD card driverpackages that has been provided is used in this system for convenience. A 640 * 480resolutions, 6.4 inchs LCD is used for displaying. Qt / Embedded Lib is adopt forproviding a graphical user interface. Data acquistion system is based on a embeddeddatabase, SQLite. In order to facilitate data transmission, the system using XMLLanguage to format the data that would be sent. Based on TCP / IP protocol, the socketAPI under Linux OS is used in programming for sending data to PC.Keywords: Multi-Channel Pulse Amplitude Analyzer dada acquisition ARMLinux Qt/Embedded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 成都理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员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。学位论文作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 成都理工大学 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 成都理工大学 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）学位论文作者签名：学位论文作者导师签名：年 月 日摘 要I基于ARM-Linux 的多道脉冲幅度分析器数字系统设计作者简介：李兵兵，男，1981 年1 月生，师从成都理工大学吴建平教授，2009 年06 月毕业于成都理工大学核技术及应用专业，获得工学硕士学位。摘要随着电子技术的不断发展，各种智能核仪器逐步走向自动化、智能化、数字化和便携式的方向发展。针对传统的多道脉冲幅度分析器体积大，人机交互不友好，不方便现场分析等的缺陷5。新型的高速、集成度高、界面友好的多道脉冲幅度分析器的陆续出现填补了这一缺点。随着电子技术的发展，以ARM 为核的处理器技术的应用领域不断扩大，相比较单片机而言，它的主频高、运算速度快，可以满足多道脉冲幅度分析器的苛刻的时间上的要求。而且ARM 处理器功耗小，适合于功耗要求比较苛刻的地方，这些方面的特点正好满足了便携式多道脉冲幅度分析器野外勘察的要求。同时，由于以ARM 为核的处理器具有丰富的外设资源，这样就简化了外设电路及芯片的使用，降低了功耗并增强了产品的信赖性。另外，ARM 芯片可以方便的移植操作系统，为多道脉冲幅度分析器多任务的管理和并行的处理，甚至硬实时功能的实现提供了前提。而且在ARM 平台使用嵌入式linux 操作系统使多道脉冲幅度分析器的软件易于升级。智能化和小型化是多道脉冲幅度分析器的发展趋势。智能化要求系统的自动化程度高、操作简便、容错性好。智能化除了需要控制软件外，还需要软件命令的执行者即硬件控制电路来实现相应的控制逻辑，两者的结合才能真正的实现智能化。小型化要求系统的体积小、功耗小、便于携带；小型化除了要求采用微功耗的器件，还要求电路板的尺寸尽量的小且所用元件尽量的少，但小型化的同时必须保持系统的智能化，即不能减少智能化所要求的复杂的逻辑和时序的控制功能。为此采用高集成度的ARM 芯片实现控制电路能满意地同时满足智能化和小型化的要求。在研制的多道脉冲幅度分析器中，几乎所有的控制都可以用控制芯片来实现，如阈值设定、自动稳谱以及多道数据采集，在节省了元件的数目和电路板的尺寸的同时仍能保持系统的智能化程度。linux 内核精简而高效，可修改性强，支持多种体系结构的处理器等，使得它是一个非常适合于嵌入式开发和应用的操作系统。嵌入式Linux 可以运行的硬件平台十分广泛，从x86、MIPS、POWERPC 到ARM，以及其他许多硬件体系第1 章 引 言1第1 章引 言1.1 选题依据及研究意义自从德国科学家伦琴在 1895 年发现X 射线，百余年来人们对X 射线的本质有了透彻的了解。同时，基于X 线应用的各种理论、方法也日趋成熟和完善，各种实用技术的研究与运用正方兴未艾。基于元素的X 荧光的化学分析始于二十世纪三十年代初期。二十世纪四十年代，建成了合适的X 射线发生器和X 射线分光谱仪，形成了“波长色散X 荧光分析方法”，其缺点是设备庞大、价格昂贵。另外，这种波长色散X 荧光分析系统需要冷却，屏蔽X 光管，运行功耗大。二十世纪五十年代，人们提出了一些新的设想，主要针对用同位素放射源代替大功率X 光管和用具有脉冲幅度分析的电子仪器代替X 射线衍射谱仪。这些设想变为现实后，就诞生了“能量色散X 荧光分析方法”。同位素放射源技术与能量色散X 荧光探测器及其电子线路的小型化导致便携式X 荧光分析系统的产生，使其能够在现场条件下使用。便携式X 射线荧光分析仪是一种能量色散型的能谱分析仪，它是一种集核物理学、计算机科学和电子工程学于一体的高科技产品。便携式仪器适用于野外、生产现场及实验室样品元素含量的无损快速分析，已在地质勘探、冶金、矿山、建材、水泥、石化、煤炭、环保等部门广泛应用，并获得好的经济效益和社会效益。利用现场X 荧光分析技术能够在野外现场对岩石、土壤中的元素实现快速的定性、定量分析。在地质学研究、矿产资源评价、矿山开采、选冶过程中可实现元素的定量分析。材料科学、生物医学、环境监测中也有大量成功应用实例。本课题研究的多道脉冲幅度分析仪便是一种应用广泛的小型X 荧光分析系统。在便携式X 射线荧光仪的设计中，常常面临如何在保证良好性能条件下的小体积、低功耗、低噪声、高稳定性的挑战。而且射线传感器与前置放大电路也是直接影响和制约同位素X 射线荧光仪发展的重要环节。随着诸多技术的发展，在现有的仪器上扩展新的功能等要求也对X 射线荧光仪的软件的便利升级提出了要求。另外，随着C+等面向对象语言的快速蓬勃，使原来较难实现或很复杂才能实现的友好用户界面成为X 射线荧光仪的一个很重要的部分。综上，实现高集成度、低功耗、低成本、低噪声、界面友好的便携式X 射线荧光仪就成为一个亟待解决的课题。随着电子技术的发展，以ARM 为核的处理器技术的应用领域不断扩大，相比较单片机而言，它的主频高、运算速度快，可以满足多道脉冲幅度分析器的苛刻的时间上的要求。而且ARM 处理器功耗小，适合于功耗要求比较苛刻的地方，这些方面的特点正好满足了便携式多道脉冲幅度分析器野外勘察的要求。同时，成都理工大学硕士学位论文2由于以ARM 为核的处理器具有丰富的外设资源，这样就简化了外设电路及芯片的使用，降低了功耗并增强了产品的信赖性。另外，ARM 芯片可以方便的移植操作系统，为多道脉冲幅度分析器多任务的管理和并行的处理，甚至硬实时功能的实现提供了前提。而且在ARM 平台使用嵌入式linux 操作系统使多道脉冲幅度分析器的软件易于升级。智能化和小型化是目前能量色散X 荧光分析仪的发展趋势。智能化要求系统的自动化程度高、操作简便、容错性好。智能化除了需要控制软件外，还需要软件命令的执行者即硬件控制电路来实现相应的控制逻辑，两者的结合才能真正的实现智能化。小型化要求系统的体积小、功耗小、便于携带；小型化除了要求采用微功耗的器件，还要求电路板的尺寸尽量的小且所用元件尽量的少，但小型化的同时必须保持系统的智能化，即不能减少智能化所要求的复杂的逻辑和时序的控制功能。为此采用高集成度的ARM 芯片实现控制电路能满意地同时满足智能化和小型化的要求。在研制的能量色散X 荧光分析仪中，几乎所有的控制都可以用控制芯片来实现，如阈值设定、自动稳谱以及多道数据采集，在节省了元件的数目和电路板的尺寸的同时仍能保持系统的智能化程度。在能谱测量中，我们需要分别测定各个能量范围内的射线强度，在放射性勘察仪器中也就是要测量辐射脉冲的幅度分布。完成这种区分脉冲幅度功能的电路称为脉冲幅度分析器。脉冲幅度的测量技术在核辐射探测中是一个关键问题。脉冲幅度的测量可以通过采用脉冲幅度分析器来进行。脉冲幅度分析器是核辐射测量中的重要仪器，它除了用作测量脉冲的幅度分布外，还可以用来在测量中剔除小幅度的干扰脉冲和噪声，使仪器只记录在探测器中产生的幅度较大的脉冲。便携式多道脉冲幅度分析器满足了野外、移动的情况或狭窄的场地下的工作环境。其中能同时测量多个能量范围内辐射脉冲计数的幅度分析器称为多道脉冲幅度分析器。在核能谱测量工作中探测器输出的脉冲信号与入射粒子的能量成正比，通过测量脉冲信号幅度，得到入射粒子的能量。所以，以多道脉冲幅度分析器为核心的核能谱数据采集系统，是核辐射探测技术的关键。为了适应无电力电源的野外、移动场合、窄小场地的作业区，脉冲幅度分析器逐渐向便携式发展。便携式多道脉冲幅度分析器完全继承了传统的脉冲幅度分析器的所有测量功能和技术性能，又具有体积小、携带方便、轻巧耐用等特点，迅速在市场上占领了一席之地。第1 章 引 言31.2 国内外研究现状综述目前国外基于同位素放射源技术和能量色散方法的 X 荧光仪的主要产品有芬兰的OUTOKUMPU 的XMET 840 ANHLYEER，该产品是上世纪7080年代开发成功的产品，它利用放射源激发，主要用于野外测量，一般只能作定性分析。荷兰Panalytcal 的Minimate 用X 光管作激发源，用正比管作探测器，为通用型，它主要采用数学等方法进行解谱，利用寻峰稳谱，并自动调节增益。80年代末，芬兰OUTOKUMPU 公司被牛津公司收购，从此牛津公司推出了LabX系列小型能量射散的多元素分析仪，开发中在很多方面进行了改进，能够同时探测Al、Si、Ca、Fe 等多种元素。国内生产的多元素分析仪基本上参照芬兰的产品，用放射源激发，55Fe 激发测量轻元素，成本较高。西安一公司生产的多元素分析仪也采用放射源，仪器结构基本相同。上海爱斯特公司DM2100 型是采用正比计数器的X 荧光多元素分析仪。除此之外，国内研制类似产品的单位还有很多。例如，成都理工大学的智能型X 射线荧光分析仪9001，9904。成都理工大学新一代手提式X 荧光多元素分析仪计IDE2000-P。 北京核仪器厂研制的BH 系列脉冲幅度分析器等。多道脉冲幅度分析器是70 年代发展起来的最成功的分析仪器之一，它综合了核探测器、多道分析和计算机技术，广泛用于冶金、矿山、地质、化工、环保等领域，是国家自然科学发展战略中核技术学科优先发展项目之一。近年来，随着核技术的不断完善与扩展，以射线传感器为基础的各类核测量仪器在工业监控等领域发挥着越来越重要的作用。而现代测控技术的发展对测量控制精度与稳定性提出更高的要求，期望电路简洁性，能可靠。目前多道脉冲幅度分析器的发展是随着电子技术的发展而发展的，其更新换代很快。多道脉冲幅度分析技术作为信息电子科学及核电子学科的一个重要分支，是一门综合的应用技术。它研究核数据信息数据的采集、存储、处理及控制等，具有很强的应用性。随着应用电子学科及核物理的发展，根据微型处理器的差异其数据采集系统可分为以下几种结构：（1）基于通用微型计算机（如PC 机）的多道脉冲幅度分析器该系统主要的功能是将被ADC 转换后的数字信号通过外围接口电路送入微机内进行处理，然后再显示处理结果。或者是经过D/A 转换输出。因为是基于PC 机的系统，所以有着较强的软件和硬件的支持。通用的微机系统的所有软件、硬件资源都可用来支持系统的工作。具有自主开发能力，系统的软硬件的配置比较小，但是系统的成本较高。但二次开发时，软硬件扩展能力较好。在工业环境中运行的可靠性差,对安放的环境要求较高，而且程序在RAM(Random AccessMemory, 随机存储器)中运行时，容易受到外界的干扰和破坏。成都理工大学硕士学位论文4（2）基于单片机的多道脉冲幅度分析器该系统由单片机及其一些外围芯片构成，是近年来单片微机技术迅速发展的结果。具有以下的特点：该系统不具有自主开发能力，因此这种多道脉冲幅度分析器系统的软件和硬件的开发必须要借助于开发工具。系统的软件，硬件的设计配置规模的大小以能满足多道脉冲幅度分析器系统的功能要求为最小原则，所以以其为基础设计的系统具有极好的性价比。并且由于可以进行硬件裁剪，所以系统的可靠性和使用都很好。而且用户程序在ROM(Read Only Memory, 只读存储器)中存储，通常不会受到外界的干扰而遭到破坏。上电后系统可以立即启动进入应用程序。在一些工业界的现场应用中，为了满足多个处理器之间的信息的交换，可以使用CAN(Controller Area Network, 控制器局域网)、RS-232、RS-485等各种协议的总线将多个微处理器进行组网，但是这种网络的有效距离非常的短，相关的协议也很缺少，而且通常都是独立在万维网之外的，所以很难满足复杂、远程，较长距离（异地）的测控工作的要求。（3）基于DSP(Digital Singnal Processor,数字信号处理器)的多道脉冲幅度分析器DSP 数字信号微处理器从理论上而言是不同于单片机的一种处理器的形式，常用的数字信号处理芯片可以分为两种，一种是专用的DSP 芯片，一种是通用的DSP 芯片。基于DSP 数字信号微处理器的多道脉冲幅度分析器系统的一些特质如下：精度好、灵活性高、可靠性很好、易集成、可以分时复用，但是，DSP 处理器的价格一般很贵。（4）基于FPGA（Field Programmable Gate Array, 现场可编程逻辑门阵列）的多道脉冲幅度分析器由于EDA(Electronic Design Automation, 电子设计自动化)技术的发展和FPGA 集成度的提高，FPGA 包括了微控制器的一些特点，而且兼有了串行和并行的工作方式。但是其缺点是外形尺寸较大，功耗大以及量产成本较高。标准单元ASIC 可提供更高性能，但由于开发时间和成本，通常无法采用。（5）基于ARM 的多道脉冲幅度分析器ARM 系列芯片资源丰富，内部有A/D 模块、RS232 串行口等等，可以嵌入操作系统uC/OS-II、linux 以及嵌入式实时操作系统VxWorks 等，可以满足多任务的并行处理和“软实时”的一般要求以及苛刻要求下的”硬实时“等要求。并且有功耗小、价格低等市场敏感性优点。1.3 课题研究的主要内容课题来源主要基于 9000 系列便携式X 射线荧光仪的研制与改进，为自筹资金项目。90 年代研制的9001（闪烁探测器双道）、9004（正比计数器四道）智第1 章 引 言5能型便携式X 射线荧光仪，均以MCS-51 单片机为核心。课题研究内容在上述仪器开发基础上，采用ARM 系列芯片实现多道脉冲幅度分析仪器的设计。传统的多道数据采集系统在硬件上多采用分立器件构建，功耗较大，不能满足野外长时间测量的要求。主处理器大多采用单片机，在固件设计上一般采用繁琐的汇编语言，因此在系统的整体信赖性和设计的效率及性能方面难以保证稳定可靠。另外，越来越多的能谱仪对人机界面友好性的要求越来越高，因此在一些嵌入式操作系统的推动下，软件构架中加入了嵌入式操作系统的支持，使得在设计平台上软件编写变得更简单，而且对于进程或任务的管理变得更方便。本文研究的是基于ARM的数据采集系统并在其基础上设计了多道脉冲幅度分析器。设计多道脉冲幅度分析器涉及很多方面，如：模/数转换技术、高速数据采集技术、显示技术等。Linux 操作系统是目前在嵌入式系统中广泛应用的技术，具有高可靠性，便于移植，开发文档完备等特点。而且在linux 下便利的多线程和多进程编程可以满足任务的并发处理，可以满足时间要求严格的设计。希望通过本设计，更好的把新技术运用到科研当中去。通过对国内外主要公司产品工作原理的研究，掌握数据采样、数据处理和波形显示技术。结合国内相关产品的开发经验，以ARM9 为核心MPU，应用易裁剪，支持多种硬件体系结构的linux 操作系统进行技术开发，试制多道脉冲幅度分析器样机。之所以采用嵌入式操作系统来进行多道脉冲幅度分析器的开发是因为嵌入式操作系统可以满足以下几个方面的需求特征：（1）系统需要运行多个任务；（2）系统需要不断进行升级或二次开发；（3）系统需要用到微型数据库管理系统；（3）系统需要网络功能；（4）系统需要有直观的用户界面。综上可知，基于ARM 平台的linux 操作系统可以实现采集系统的多种功能，有很强的发展前景。课题的具体工作包括以下内容：（1）ARM9 处理器SAMSUNG S3C2410 处理器的使用；（2）基于S3C2410 的部分硬件接口电路的设计；（3）linux 下部分驱动程序的修改或调试；（3）基于Socket 套接字的linux 下的网络数据传输；（4）基于Qt/Embedded 的图形化界面；（5）基于XML 格式的数据的组织和解析；（6）基于嵌入式小型数据库SQLite 的数据存储。成都理工大学硕士学位论文61.4 课题研究的主要成果本文的设计采用了易裁剪，支持多种硬件体系结构的 linux 操作系统，使用具有内存管理单元的MMU(memory manage unit, 内存管理单元) S3C2410 芯片。由此实现采集系统的显示、人机交互等功能。有较强的创新性。第2 章 总体设计及原理7第2 章总体设计及原理2.1 总体结构系统总体电路框图如图 2-1 所示。整个系统由模拟系统模块和数字系统模块组成。系统由在ARM 平台上的linux 操作系统的控制下完成采样，存储，以及显示的功能6。射线探测器获取的信号首先被送往脉冲线性放大电路，经过放大、整形后由32 位微处理器S3C2410 对信号进行A/D 转换，A/D 采样处理后存储到SQLite 数据库。当进行数据查询时，通过采用基于Qt/Embedded 的GUI(图形用户界面)库提供友好的用户界面，以方便用户的操作和相关参数的设置，并将接收到的核数据谱线在LCD 上显示出来，供初步分析。根据选择可以将数据通过SD 卡存储电路存储于SD 卡。必要时，可以直接通过以太网将数据传送到PC 上。由图见，S3C2410 是系统的核心，各个模块在ARM 的控制下协同工作。系统硬件模块包括了 3 大部分。前端探测器系统部分：探测器，前置电路，高压电源；然后是由线性脉冲放大器，甄别电路，控制电路，采样保持电路组成的前置放大电路；最后端是ARM 处理器及一些外设组成的控制及显示、存储电路。系统软件平台主要选择嵌入式 Linux 操作系统，主要有下面几个方面的考量：首先，Linux 应用比较广泛，有比较健全的开发和帮助文档，并且有成熟的开发代码可以参考，便于开发；其次，相比较WinCE，VxWorks 而言Linux 遵循GPL 许可证是可以免费使用的；再次，其它的一些常用的操作系统如C/OS-内核里并不包括TCP/IP 协议栈，因此对于网络方面的应用开发带来了一定程度的困难。虽然Linux 相对于VxWork 或者C/OS-而言，实时性方面会有欠缺，但是对于本系统而言，这些都可以忽略不计，另外，Linux 目前也衍生出了各种实时性支持较好的版本，可以较好的满足实时性方面的要求。成都理工大学硕士学位论文8图 2-1 多道脉冲幅度分析器系统总体框图2.2 基础理论自然界的信号大多是模拟信号，首先通过 A/D 转换器将输入的模拟信号转化为数字信号，即利用采样技术将模拟信号转换为数字信号；利用适当的算法从采样得到的数据中恢复我们所需要的各种信息。当信号进入前端放大和采集电路之后，首先要通过A/D 转换进行数字化，即对其输入脉冲进行采样，本节主要讨论信号采集和多道分析器的原理。2.2.1 X 荧光分析的基本原理（1）X 辐射取样X 辐射取样是利用放射性同位素源或者X 射线管发出的射线照射被测物质，被测物质受激发后发出X 射线荧光，然后通过对X 射线荧光照射量率的测量，确定被测物质中带测元素含量的一种物理分析技术。（2）照射量率与元素含量的关系X 射线荧光的产生是X 射线与物质相互作用的产物。X 射线与物质相互作用较复杂，但待测物质中目标元素特征X 射线照射量率与其含量之间存在一定的函数关系。X 辐射取样的一般方程为：第2 章 总体设计及原理9( 0 )0 sin sin0sin sinx xA aixI KI C ea +=+(2-1)其中：0( ) 14x qA q iqx E S K pE S =(2-2)式中：K 常数。A C 待测元素含量。i I 照射量率。0 I 样品表面的初级照射量率，可通过实际测量获得。0 u 初级射线在样品中的衰减系数。x u 待测样品的衰减系数，与物质有关。实际测量时我们可以近似做到 sin a sin 1， 使 ( 0 )sin sinx xa + ，于是由公式（2-1）可化简为：00AixI KI C =+(2-3)由公式（2-3）可以看出待测元素含量A C 与照射量率i I 存在正比函数关系。这就为我们利用X 荧光技术进行元素的定量分析提供了依据。（3）输入信号的特征在核能谱测量工作中探测器输出的脉冲信号与入射粒子的能量成正比，通过测量脉冲信号幅度，得到入射粒子的能量。所以以多道脉冲幅度分析器为核心的核能谱数据采集系统，是核辐射探测技术的关键。2.2.2 能量色散X 射线荧光分析的基本原理能量色散X射线荧光方法是依赖样品受X射线、电子束或粒子束等激发后发射出的特征X射线对物质的组成元素进行成分分析的一种方法。根据能谱分布，进行元素的定性、定量分析以及试样物理特征的研究。XRF(能量色散型X荧光光谱仪)用于物质化学成分的定性和定量分析的理论成都理工大学硕士学位论文1 0依据是莫塞莱定律和谢曼方程。1913年提出的莫塞莱定律确立了元素原子序数与元素特征X射线频率之间的关系，如公式2-4：v = a(Z b) (2-4)其中, a ，b 为常数，v 为特征X 射线的频率，Z 为元素的原子序数。它表明，X 射线荧光频率的平方根与元素的原子序数成正比。根据莫塞莱定律，我们可以通过对样品荧光谱中特征峰能量的分析来确定样品中的元素成分。在此基础上,1955年谢曼提出了元素的荧光强度和元素含量之间的对应关系：, ( ) A A f R = f C C (2-5)其中： A R 为待测样品中A 元素的荧光强度和标准样品中A元素荧光强度的比值；A C 为A 元素的浓度；f C 为基体中其它元素的浓度。为确定待测样品某元素的浓度，需要进行逆运算，即：, ( ) A A f C = f R C (2-6)实际应用中无法直接得出上述这一关系式，只有采用一定的经验或数学校正模式。利用关系式可算出元素的荧光强度所对应的样品中该元素的浓度，实现对待测样品的定量分析。2.2.3 多道脉冲幅度分析器原理多道分析器有脉冲幅度分析和多度定标两种工作模式。脉冲幅度分析是多道分析器最重要的功能（它相当于若干个单道同时工作），可测量放射源的能谱。探头输出的脉冲高度V 与射线的能量E 成正比，脉冲电压V 经模数变换后将电压V 变换为不同的地址（道数）x，并使该x 地址存储器的计数n 增加一个计数。因道数x 与脉冲高度V 成正比，故道数x 与射线能量E成正比。在脉冲幅度分析模式下可测出放射源的完整能谱。多度定标模式可测量