0 引言
核能譜輻射測(cè)量技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù),，是核探測(cè)技術(shù),、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科相互交叉滲透的產(chǎn)物,。具有現(xiàn)場(chǎng),、多元素快速分析等特點(diǎn)。核能譜輻射測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不僅用于核研究,，也在地質(zhì)學(xué),、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué),、生物學(xué),、化學(xué)、考古學(xué)等學(xué)科扮演著越來(lái)越重要的角色,。由于閃爍記數(shù)器,、半導(dǎo)體探測(cè)器等核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比關(guān)系,，因此,，測(cè)量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量,。然而,，脈沖幅度" title="脈沖幅度">脈沖幅度的測(cè)量在核能譜輻射探測(cè)中則是一個(gè)重要問(wèn)題。
多道脈沖幅度分析器" title="分析器">分析器不僅能自動(dòng)獲取能譜數(shù)據(jù),，而且一次測(cè)量就能得到整個(gè)能譜,，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間，與此同時(shí),，其測(cè)量精度也顯著提高,。自從20世紀(jì)50年代以來(lái)，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速,，現(xiàn)在已成為獲取核能譜數(shù)據(jù)的通用儀器,。
傳統(tǒng)的核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上大多采用分離元器件以及8位單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，故其功耗大,、設(shè)計(jì)復(fù)雜,、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低并且難于調(diào)試,；而在軟件設(shè)計(jì)上也多采用冗長(zhǎng)繁瑣的匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn),，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差,、性能難以保證,。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些新型低功耗集成電路,、ASIC集成電路,、微處理器技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷引入，使核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能日益完善和強(qiáng)大,，也為核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向輕便化,、智能化、微機(jī)一體化以及網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展提供了必要條件,。
多道分析任務(wù)是將被測(cè)量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔,，然后測(cè)量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，最后得到輸入信號(hào)的脈沖幅度分布曲線,。其測(cè)量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A／D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù),。
在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中開(kāi)辟一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個(gè)計(jì)數(shù)器,，每一個(gè)脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器。多道脈沖幅度分析時(shí),，可在微處理器的控制下,，將被分析的脈沖信號(hào)首先送往模數(shù)變換器,，經(jīng)A／D變換形成一個(gè)代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址)。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址,。并使該地址對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計(jì)數(shù)加一),。這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量,，存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)數(shù)器緩沖中各計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的多少就可反映輸入脈沖的幅度分布,。
1 多道脈沖幅度分析器結(jié)構(gòu)
一臺(tái)完整的核地球物理儀器通常可分為兩部分：核輻射探測(cè)器和嵌入式系統(tǒng),。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分,。多道脈沖幅度分析器一方面采集來(lái)自放大器的信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果,；另一方面將存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,，并直接顯示譜線，或通過(guò)計(jì)算機(jī)接口送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和譜線顯示,。
本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。脈沖信號(hào)在通過(guò)甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過(guò)峰信息,，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對(duì)脈沖信號(hào)峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在片上Flash中,，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,。
2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)
2．1 脈沖線性主放大器
多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路,、采樣保持電路,、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,、ARM嵌入式系統(tǒng)組成，其控制核心為嵌入式系統(tǒng),。它的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類(lèi)計(jì)數(shù),。多道脈沖幅度分析器將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個(gè)幅度間隔，幅度間隔的個(gè)數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù),，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬,。道數(shù)越多，幅度分布分析的越精細(xì),，各個(gè)道的計(jì)數(shù)相應(yīng)減少,，需要測(cè)量的時(shí)間就要加長(zhǎng)，硬件電路也隨之復(fù)雜,。因此,，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常要求,，在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5～10道,。對(duì)于采用NaI探測(cè)器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差,，往往128道至256道就能滿足測(cè)量要求,。而對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器，則需要1024~8196道,。本文使用半導(dǎo)體探測(cè)器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道,，但采用并道的方式來(lái)顯示1024道,。
主放大器應(yīng)放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償核輻射探測(cè)器輸出脈沖幅度的變化,。由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏),，脈沖寬度比較窄，因此,。為了能進(jìn)行信號(hào)幅度分析,，實(shí)現(xiàn)能譜測(cè)量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形,。針對(duì)脈沖特點(diǎn),，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：
首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來(lái)確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號(hào)幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右,，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內(nèi),，所以其放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號(hào)幅度有差異,，其放大倍數(shù)應(yīng)可調(diào)試,。
其次是放大器的頻帶寬度,。由于前放輸出的脈沖寬度會(huì)受有關(guān)電路影響，一般為幾個(gè)μs,，因此,，要求放大器的頻帶寬度為1～2MHz。
第三是放大器的噪聲,?？紤]到來(lái)自前放的信號(hào)幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應(yīng)盡可能的小,。一般地,，選用低噪聲的運(yùn)算放大器組件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。
另外,，諸如放大器的輸入阻抗,、抗計(jì)數(shù)過(guò)載、放大器的穩(wěn)定性,、功耗等,，在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)也應(yīng)予以考慮。由于α脈沖信號(hào)通過(guò)整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬,，γ脈沖信號(hào)通過(guò)整形后大概有3～5個(gè)微秒的脈沖寬,，所以，在選用運(yùn)算放大器時(shí),，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度,。本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高,、噪聲低,、功耗小、溫漂小等特點(diǎn),。
2．2 峰值檢測(cè)電路
峰值檢測(cè)電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成,，甄別電路的作用是檢測(cè)信號(hào)時(shí)序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時(shí)序?qū)δM開(kāi)關(guān),、ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制,。控制電路必須跟甄別電路的時(shí)序嚴(yán)格結(jié)合在一起,，才能完成峰值檢測(cè)任務(wù),。
由于核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比，因此,，測(cè)量這些脈沖的幅度,，就可以知道輻射的能量。可見(jiàn),，脈沖幅度測(cè)量技術(shù)在核能譜測(cè)量中是一個(gè)重要的問(wèn)題,。甄別電路需要解決三個(gè)與信號(hào)相關(guān)的信息：一是超過(guò)閾值信號(hào)的信息；二是過(guò)峰時(shí)間信息,，即啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息,；三是ADC完成轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息。甄別電路中也存在三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,，研究中要予以注意：
首先,，由于放大器輸出的α和γ射線脈沖寬度比較窄(約1μs到5μs)，而本系統(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為10μs,，所以,，要對(duì)脈沖信號(hào)峰值進(jìn)行峰值展寬。采樣保持電路要求采樣速度快,，以使保持時(shí)間能達(dá)到ADC采樣時(shí)間指標(biāo),。
其次，由于脈沖信號(hào)的隨機(jī)性,，為了防止信號(hào)來(lái)的過(guò)密而引起漏計(jì),，本系統(tǒng)采用10μs轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以,，從理論上分析,，如果兩個(gè)信號(hào)相隔10μs內(nèi)，則會(huì)引起漏計(jì),。而由于CPU處理速度等問(wèn)題的存在,，實(shí)際上，這個(gè)時(shí)間間隔可能長(zhǎng)3～10倍,，即在30～100μs之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定),，甚至更多，也就是說(shuō),，實(shí)際信號(hào)出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以,，可以忽略這個(gè)問(wèn)題,。
另外，還要解決信號(hào)過(guò)密而引起的幅度信號(hào)錯(cuò)誤紀(jì)錄,，而高能區(qū)的信號(hào)也可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號(hào),，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大而高能計(jì)數(shù)偏小的問(wèn)題。
圖2所示是甄別電路和控制電路的原理圖,。甄別電路的主要功能是完成過(guò)峰檢測(cè)和去除信號(hào)噪聲,，可通過(guò)設(shè)定閉值將信號(hào)中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過(guò)后，提供信息給控制電路,；控制電路的主要功能是完成對(duì)A/D讀入／轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制,。控制電路可由74HC74觸發(fā)器構(gòu)成,。
甄別和控制電路具體工作過(guò)程是,，先由嵌入式微處理器控制中心給控制電路發(fā)出信號(hào)，以使控制電路處于工作狀態(tài),，當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)多道脈沖幅度分析器后,，由甄別電路進(jìn)行甄別，并在過(guò)峰值后,，將峰值通過(guò)的時(shí)間信息提供給控制電路,；此后由控制電路啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換完畢,，再由嵌入式微處理器控制中心產(chǎn)生中斷,，同時(shí)使控制電路停止工作，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,；中斷完畢,，再由單片機(jī)發(fā)信號(hào)使控制電路重新處于工作狀態(tài)。
采樣開(kāi)始時(shí),，先由ARM通過(guò)控制74HC74來(lái)啟動(dòng)A／D,，然后，使U2A的RD和U2B的RD及SD端輸出高電平,，控制電路處于接收信號(hào)狀態(tài),。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量低于設(shè)定的閉值電壓時(shí)，U2A的CLK端為低電壓,，此時(shí),，U2A的RD和SD端均為高電平，輸出端5腳保持原來(lái)的低電平不變,。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量高于設(shè)定的閉壓值時(shí),，U2A的CLK端為高電壓，輸出端5腳輸出高電平,，啟動(dòng)U2B,。當(dāng)脈沖沒(méi)有達(dá)到峰值時(shí)，比較器U1B的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓,，6端輸出低電壓,，當(dāng)過(guò)峰后，6端輸出高電平,，R／C輸出低電平以啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換,。轉(zhuǎn)換完畢后，由ARM重新控制A／D進(jìn)行下一個(gè)脈沖信號(hào)的采集。甄別電路和控制電路的工作流程如圖3所示,。
2．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果反饋給微控制器。多道脈沖幅度分析器主要用于快速,、高精度地對(duì)輸入的核脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣,，并將脈沖的幅度值轉(zhuǎn)換成微控制器所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為多道脈沖幅度分析器的關(guān)鍵部件,，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能量分辨率和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù),。綜合對(duì)多道脈沖幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如轉(zhuǎn)換速度，功耗,，轉(zhuǎn)換精度)等考慮,，本系統(tǒng)選用AD公司的AD7994，并在實(shí)際工作中采用“并道”的方法,，每4道并作l道,，則道寬非線性即可降低至原來(lái)的1／4。這種方法可降低由于ADC本身造成的非線性誤差,。其具體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4所示,。
2．4 ARM微控制器外圍電路設(shè)計(jì)
LPC2134" title="LPC2134">LPC2134是具有全雙工通信能力的串行外設(shè)接口芯片(SPI)。一個(gè)SPI總線可以連接多個(gè)從器件和多個(gè)主器件,，但是在同一時(shí)刻,，則只允許有一個(gè)主機(jī)操作總線。本系統(tǒng)利用SPI接口來(lái)擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器,。Flash存儲(chǔ)器選用ATMEL公司的AT45DB041,。ARM與串行Flash芯片AT45DB041的連接電路如圖5所示。
本系統(tǒng)中,，ARM工作在主機(jī)方式,。由于ARM工作在主機(jī)方式時(shí)，若SSEL引腳為低電平,，則將禁止SPIO模塊工作,。所以，為了系統(tǒng)可靠的工作,，雖然這里該引腳未用,，仍需將它通過(guò)上拉電阻接在電源上。串行Flash芯片AT45DB041的CS片選端由ARM控制,。WP為寫(xiě)保護(hù)端，若使能,，則存儲(chǔ)器的前256頁(yè)將不能擦除重寫(xiě),。由于本系統(tǒng)不需要此功能，因此，此腳直接接高電平,。由于微處理器的存儲(chǔ)容量有限且運(yùn)算功能不強(qiáng),，故在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較復(fù)雜的處理時(shí)，往往需要借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng),。因?yàn)榇型ㄓ嵕哂兴脗鬏斁€少,，適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用串口來(lái)連接計(jì)算機(jī)和微控制器,。串口通信的硬件電路如圖6所示,。串口信號(hào)TXD和RXD直接和LPC2134的串行口相連接。
3 多道脈沖幅度分析器相關(guān)軟件設(shè)計(jì)
ARM微處理器軟件可采用前／后臺(tái)系統(tǒng)(foreground／background)或超循環(huán)系統(tǒng)(super-loops)設(shè)計(jì),。應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán),，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)可完成相應(yīng)的功能，這部分可以看成后臺(tái)行為(background),。中斷服務(wù)程序可處理異步事件,、這部分可以看成前臺(tái)行為。后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí),，前臺(tái)也叫做中斷級(jí),。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)來(lái)保證的。因?yàn)橹袛喾?wù)提供的信息,，要等到后臺(tái)程序運(yùn)行到可以處理這個(gè)信息時(shí),，才能得到處理。這種軟件系統(tǒng)在處理信息的及時(shí)性上,，比實(shí)際可以做到的要差,。處理信息的及時(shí)性，稱(chēng)作任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間,。最壞情況下的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間取決于整個(gè)循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間,。因?yàn)檠h(huán)的執(zhí)行時(shí)間不是常數(shù)，程序經(jīng)過(guò)某一特定部分的準(zhǔn)確時(shí)間是確定的,。進(jìn)而,，如果程序修改了，循環(huán)的時(shí)序也會(huì)受到影響,。程序在進(jìn)行初始化后,，將進(jìn)入超級(jí)循環(huán)等待中斷，中斷到來(lái)先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序,，處理完畢后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),，再返回超級(jí)循環(huán)并繼續(xù)等待中斷?？梢?jiàn)中斷處理是程序中比較重要的任務(wù),。
3．1 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)流程
整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)軟件程序可采用模塊化設(shè)計(jì)方法,，包括C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言兩在模塊。其主程序流程圖如圖7所示,。
3．2 A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序
A/D轉(zhuǎn)換完畢后,，可由AD7994的BUSY端向ARM申請(qǐng)中斷，ARM開(kāi)始讀取來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并保存,。其程序流程如圖8所示,。
AD7994是4通道12位ADC，為了能夠快速處理A／D中斷服務(wù)程序,，本系統(tǒng)將A/D中斷設(shè)置為快速中斷,。
3. 3 串口通信軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的串口中斷程序流程圖如圖9所示。
4 仿真調(diào)試
在PROTEUS軟件上進(jìn)行仿真,，改變不同的電路參數(shù),，可以觀察波形的變化。
利用函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生一個(gè)矩形波信號(hào),，然后運(yùn)行仿真程序,，以直接讀出各波形。改變電容Cll的值,，可以改變輸出波形的幅度,。然后調(diào)整不同的輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并記錄輸出波形的幅度以及波形,。波形幅度數(shù)據(jù)如表l所列,，其波形仿真圖10所示。
由圖可見(jiàn),，當(dāng)C11的值小于160 pF或大于1．5nF的時(shí)候,，波形開(kāi)始失真。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的硬件電路已經(jīng)通過(guò)了軟件調(diào)試和仿真,，可以達(dá)到預(yù)期的效果,。積分電容器的電容值過(guò)大過(guò)小都不行，在PROTEUS上選擇不同的電容值有較大的優(yōu)勢(shì),。由于CA3140的放大倍數(shù)等于某時(shí)候的最高信號(hào)頻率(為4．5 MHz),，故在輸入信號(hào)頻率較高的時(shí)候，CA3140的放大倍數(shù)將不能接近1,，而這會(huì)影響 最后的結(jié)果,。所以，為了在高頻輸入時(shí),，系統(tǒng)也能正常工作,，可以把CA3140替換成高頻特性比較好的LM6161，這樣可以提高系統(tǒng)的高頻特性,。