USB便攜式多道γ能譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：討論了串行總線（USB）技術(shù)應(yīng)用于便 攜式多道γ能譜儀的可行性，并詳細(xì)介紹了 系統(tǒng)的硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，最后給出了其性能測(cè)試結(jié)果。野外地面γ能譜測(cè)量技術(shù)主要研究地殼巖石土壤中產(chǎn)生的能量范圍約為30keV～3000keV的γ射線，這里面包含著軸、鉀等天然放射性核元素信息、核工程活動(dòng)產(chǎn)生的大量人工放射性核元素信息以及γ射線與地殼相互作用產(chǎn)生的相關(guān)信息。而用于獲取和處理γ能譜數(shù)據(jù)的多道γ能譜儀是重要的研究課題，其功能是把從γ射線探測(cè)器得到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為X-Y軸的能譜形式并顯示出來(lái)（X軸代表能量，Y軸代表脈沖計(jì)數(shù)）。
傳統(tǒng)的多道γ能譜儀一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的標(biāo)準(zhǔn)模式。但其存在體積龐大、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，不適合于野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。為適應(yīng)多道γ能譜儀智能化、微機(jī)化、便攜化的實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)采用筆記本電腦作為γ能譜儀的上位機(jī)。常用接口方式主要有RS-232C串口、紅外線端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。這幾種接口方式的特點(diǎn)比較如表1所示。
表1 接口方式特點(diǎn)比較
經(jīng)過(guò)比較輪證發(fā)現(xiàn)，USB作為近年出現(xiàn)的一種代表微機(jī)接口發(fā)展方向的新型總線規(guī)范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點(diǎn)，使之非常適合作為便攜式多道γ能譜儀的接口方式。目前大多數(shù)筆記本電腦一般都有兩個(gè)以下的USB端口，USB規(guī)范規(guī)定每個(gè)端口提供5V、500mA的電量，而筆記本電腦在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是通過(guò)自帶鋰電池供電的，無(wú)法提供足夠的電量給外設(shè)，這時(shí)就會(huì)造成外設(shè)工作不正常，甚至使系統(tǒng)崩潰�？紤]到本系統(tǒng)下位機(jī)部分功耗較大，因此供電方式使用外置電源。
筆者在吸收借鑒γ能譜測(cè)量技術(shù)最新研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了USB便攜式多道γ能譜儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要完成硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序等的設(shè)計(jì)工作。
圖2
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)
圖1所示為USB便攜式多道γ能譜儀的總體結(jié)構(gòu)框圖。下位機(jī)硬件部分主要由γ射線探測(cè)系統(tǒng)（探頭）、脈沖信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字電位器、多道脈沖幅度分析器、USB接口電路以及電源電路等構(gòu)成，其中探頭部分包括閃爍探測(cè)器、前置電路和高壓電路等，多道脈沖幅度分析器主要包括峰值別電路、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及微控制器系統(tǒng)等。上位機(jī)由筆記本電腦系統(tǒng)構(gòu)成。
軟件部分由固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序組成。
1.2 USB接口電路
由于USB本身的控制協(xié)議較為復(fù)雜，需要使用相應(yīng)的USB接口芯片。本設(shè)計(jì)采用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（簡(jiǎn)稱(chēng)D12），其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇合適的微控制器及其開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行外設(shè)開(kāi)發(fā)。
D12內(nèi)部集成了串行輸入引擎（SIE）、320字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，支持DMA方式，采用雙緩沖區(qū)技術(shù)，遵從USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。芯片中串行輸入引擎（SIE）模塊起著至關(guān)重要的作用，完成所有USB協(xié)議層功能，如同步模式識(shí)別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/解填充、CRC檢驗(yàn)/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認(rèn)、地址識(shí)別、握手信號(hào)包響應(yīng)產(chǎn)生等。另外，D12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。
圖4
微控制器采用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一種兼容Intel8032微控制器的產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)是工作電壓范圍寬（2.7V～5.5V）、功耗低、性?xún)r(jià)比高。D12與GMS90L32的連接如圖2所示。本設(shè)計(jì)使用了多路地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用方式。
此外，本系統(tǒng)選用了美國(guó)ST公司的PSD913F2，它是用于8位微控制器的具有大容量FLASH存儲(chǔ)器、在系統(tǒng)編程（ISP）能夠和可編程邏輯的器件。它將地址鎖存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一個(gè)芯片內(nèi)，成功地實(shí)現(xiàn)了微控制器系統(tǒng)的“MCU PSD”兩芯片解決方案。這種方案既可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省PCB印制板空間，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，又可增加系統(tǒng)可靠性，降低產(chǎn)品功耗。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 微控制器固件程序
所謂固件程序就是固化在程序存儲(chǔ)器中的程序代碼。本系統(tǒng)的固件存儲(chǔ)在PSD913F2的Flash存儲(chǔ)器中，固件開(kāi)發(fā)使用的是Keil C51語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為μVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。
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