0 引言
核能譜輻射測量技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，是核探測技術(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、多元素快速分析等特點(diǎn)。核能譜輻射測量技術(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)科扮演著越來越重要的角色。由于閃爍記數(shù)器、半導(dǎo)體探測器等核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比關(guān)系，因此，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。然而，脈沖幅度" title="脈沖幅度">脈沖幅度的測量在核能譜輻射探測中則是一個(gè)重要問題。
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)，其測量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)50年代以來，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)來設(shè)計(jì)，故其功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、存儲數(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)上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實(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)是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔，然后測量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A／D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。
在計(jì)算機(jī)的存儲器中開辟一個(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)字量變換成所對應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址。并使該地址對應(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)過一段時(shí)間的測量，存儲器內(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)
一臺完整的核地球物理儀器通常可分為兩部分：核輻射探測器和嵌入式系統(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自放大器的信號并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果；另一方面將存儲的轉(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。脈沖信號在通過甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對脈沖信號峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片上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，需要測量的時(shí)間就要加長，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。對于采用NaI探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿足測量要求。而對于半導(dǎo)體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示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)來補(bǔ)償核輻射探測器輸出脈沖幅度的變化。由于探測器輸出的脈沖信號幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏)，脈沖寬度比較窄，因此。為了能進(jìn)行信號幅度分析，實(shí)現(xiàn)能譜測量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對脈沖特點(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確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號幅度一般可以調(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。考慮到來自前放的信號幅度比較小，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脈沖信號通過整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬，γ脈沖信號通過整形后大概有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 峰值檢測電路
峰值檢測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信號時(shí)序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時(shí)序?qū)δM開關(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，才能完成峰值檢測任務(wù)。
由于核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比，因此，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。可見，脈沖幅度測量技術(shù)在核能譜測量中是一個(gè)重要的問題。甄別電路需要解決三個(gè)與信號相關(guān)的信息：一是超過閾值信號的信息；二是過峰時(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，要對脈沖信號峰值進(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，由于脈沖信號的隨機(jī)性，為了防止信號來的過密而引起漏計(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)信號相隔10μs內(nèi)，則會(huì)引起漏計(jì)。而由于CPU處理速度等問題的存在，實(shí)際上，這個(gè)時(shí)間間隔可能長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，實(shí)際信號出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以，可以忽略這個(gè)問題。
另外，還要解決信號過密而引起的幅度信號錯(cuò)誤紀(jì)錄，而高能區(qū)的信號也可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大而高能計(jì)數(shù)偏小的問題。
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峰檢測和去除信號噪聲，可通過設(shè)定閉值將信號中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過后，提供信息給控制電路；控制電路的主要功能是完成對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，以使控制電路處于工作狀態(tài)，當(dāng)脈沖信號到達(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別，并在過峰值后，將峰值通過的時(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)信號使控制電路重新處于工作狀態(tài)。
采樣開始時(shí)，先由ARM通過控制74HC74來啟動(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狀態(tài)。當(dāng)信號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腳保持原來的低電平不變。當(dāng)信號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、高精度地對輸入的核脈沖信號進(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接口來擴(kuò)展Flash存儲器。Flash存儲器選用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為寫保護(hù)端，若使能，則存儲器的前256頁將不能擦除重寫。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容量有限且運(yùn)算功能不強(qiáng)，故在對數(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行為。后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫做中斷級。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)來保證的。因?yàn)橹袛喾?wù)提供的信息，要等到后臺程序運(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，稱作任務(wù)級響應(yīng)時(shí)間。最壞情況下的任務(wù)級響應(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)入超級循環(huán)等待中斷，中斷到來先保護(hù)現(xiàn)場再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，處理完畢后恢復(fù)現(xiàn)場，再返回超級循環(huán)并繼續(xù)等待中斷。可見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語言和匯編語言兩在模塊。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申請中斷，ARM開始讀取來自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，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)整不同的輸入信號進(jìn)行測試，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，當(dāng)C11的值小于160 pF或大于1．5nF的時(shí)候，波形開始失真。
5 結(jié)束語
本文所設(shè)計(jì)的硬件電路已經(jīng)通過了軟件調(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大過小都不行，在PROTEUS上選擇不同的電容值有較大的優(yōu)勢。由于CA3140的放大倍數(shù)等于某時(shí)候的最高信號頻率(為4．5 MHz)，故在輸入信號頻率較高的時(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。