基于STM32的多功能γ能譜儀設計

黃麗佳，劉 龍 ，劉 洋 ，謝東岳，李福星，趙西元

（大連東軟信息學院 電 子工程系， 遼寧 大 連 1 16023）

隨著對天然輻射場中低能量γ譜學及其應用的深入研究，γ能譜儀不僅在固體礦產勘探、油氣普查、水文和工程地質調查等工業生產及科學研究方面，甚至在民用的環境輻射場調查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測方面，都得到廣泛的應用，應用場合的復雜多樣化對核輻射測量儀器提出新的需求[1]。傳統的核輻射測量儀器常采用探頭與主控儀器分離的方式，而且主控儀器通常采用32位ARM7處理器甚至8位單片機系統來進行控制，數據采集常采用速度較低的ADC芯片。硬件電路復雜、體積大、集成度低、功能單一。近年ARM公司Cortex-M系列ARM核的推出將微控制器的性能提高到一個嶄新的高度，同時功耗與成本大大降低。本文介紹一種主要基于最新Cortex-M3核的STM32微處理器，利用NaI探測器，融合無線通信，位置定位功能、具備大容量SD卡文件數據存儲、USB傳輸接口的γ能譜儀設計。

1 系統總體結構

本能譜儀是以意法半導體出品的STM32芯片為主控制器，搭配NAI探測器及外圍電路構建的硬件平臺；以嵌入式實時操作系統uCosII2.9.0為軟件平臺，進行驅動開發，應用程序管理。系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

電源部分采用鋰電池組供電，經過電源管理模塊產生探頭所需高壓外，還需提供信號調理，控制回路所需工作電源；主控制器部分采集GPS模塊定位數據，實時時鐘模塊時間數據，加入到輻射測量數據中作為數據標志；同時將測量結果顯示在TFT液晶屏上，或者通過USB電路傳送至上位機；在主控制作用下，系統定時會將測量數據保存至SD卡，存儲數據以備回查[2]。在系統硬件設計中，主控制器回路，前置放大及脈沖成型電路、甄別電路及GPS電路是本能譜儀重點改進之處。譜儀硬件組成如圖2所示。

2.1 主控制器STM32

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

為了充分發揮Cortex-M3核特點，降低能譜儀功耗的同時提升系統處理速度和其他性能，系統采用STM32系列32 Bit微控制器，芯片型號為STM32F103ZETT6[3]。該芯片工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，64K的SRAM和512K的Flash，具備豐富的增強IO端口和連接到兩條APB總線的外設。器件包含兩個12 bit的ADC，3個通用16 Bit定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C和SPI，5個USART，1個USB和CAN。工作電壓為常見的3.3 V。該芯片專門設計于集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭價格與一體的產品設計領域需求。

2.2 前置放大及脈沖放大成形電路

為了滿足現場工作靈敏的脈沖放大器要求，選用Ф75×75 mm NaI（Tl）探測器，能量分辨率一般可達到 8%（銫 137源）。探測器工作后經光電倍增管產生的信號首先通過前置放大器和主放大器調理，用于對探測器輸出信號的幅度放大和脈沖成形。前置放大器由高速、低漂移、寬頻帶集成運算放大器AD844構成的電壓跟隨器，主放大器包括極零相消電路、可調主放大器、有源積分濾波電路。主放大器由AD8066配套周圍電路組成如圖3所示。

圖3 主放大器電路Fig.3 Main amplifier circuit

圖4為積分濾波成形電路。前一級是二階有源積分濾波成形電路。隨后緊跟一級無源RC積分電路。核脈沖信號經過積分濾波成形電路后，就可以得到頂部較圓，信噪比較高的高斯型波形信號，方便后續電路處理。

2.3 甄別電路

圖4 有源濾波電路Fig.4 Active filter circuit

脈沖整形后信號通過峰值檢測及相應控制電路，然后送入主控制器模數轉換器進行采集。為消除高能或低能噪聲對測量的干擾，對脈沖幅度需采用幅度甄別器來對信號進行甄別，只允許一定幅度的脈沖通過，供后繼電路采集。此部分電路采用LM339電壓比較器，其輸入阻抗高，開環增益大，電壓上升速率快，恢復時間短，具體設計如圖5所示。

圖5 甄別電路Fig.5 Discriminator circuit

2.4 GPS電路、實時時鐘電路及SD卡存儲電路

傳統譜儀僅實現輻射強度實時測量，對測量點具體位置及測量具體時間無法記錄，也無法實現大量數據的存儲，以提供歷史數據回查功能。為了克服以上缺點，本能譜儀進行了改進。

為了實現輻射源實時位置的監測，系統需要配置定位設備，由于輻射源的適用場合主要是室內，而普通的GPS在室內無信號，無法滿足實際應用需要，本系統選用GPS和CDMA移動通信雙重定位技術的GPS-one模塊來實現輻射源的實時定位，GPS-one是美國高通公司開發的基于CDMA技術標準的定位技術，采用Client/Server方式。他將無線輔助A-GPS和高級前向鏈路AFLT三角定位這兩種定位技術有機結合，實現高精度、高可靠性和較高定位速度。在A-GPS定位技術無法使用的環境中，會自動采用AFLT三角定位技術，從而確保定位的成功率和準確度。本譜儀使用的GPS-one模塊具體型號為DTGS8-800。DTGS8-800模塊具有標準的RS232接口，可通過TTL-RS232轉換器與STM32連接，采用標準的AT指令驅動模塊工作。

輻射強度測量數據的存儲物理介質為高密度SD卡，利用STM32內部集成的SDIO接口擴展的micro-SD卡作為數據存儲；實時時鐘電路采用DS1337日歷芯片，利用STM32內部集成的串行IIC總線接口與之連接[5]。上述設備連接方式簡單，通信可靠，大大降低了系統尺寸，提高了穩定性。

2.5 其他外圍電路

經過外圍電路調理過的核輻射脈沖信號通過STM32內置的高速ADC進行測量，STM32F103ZET擁有兩個12bit的ADC，其VREF+，VREF-為基準電壓輸入引腳。基準電壓輸出電路采用REF3233，為系統提供精密3.3 V參考電壓，保障數據采集精確。

利用STM32內置全速USB2.0接口，配合若干電阻電容，擴展USB接口，作為上位PC機與譜儀通訊使用。上述部分具體連接電路在此不予贅述。

3 系統軟件設計

系統設置數據處理、LCD實時顯示、鍵盤掃描、SD卡數據讀寫、GPS位置定位數據處理、處理USB數據傳輸和消息處理一共7個任務[4]。由于核信號的隨機性和峰值信號的時間間隔不可預料性。輻射強度測量重要數據處理，采用DMA中斷方式，保證采集數據能夠快速得到處理。

各個任務利用uCosII提供的消息隊列機制循環處理上位機命令和鍵盤命令。消息任務中設置消息處理函數，根據命令不同，通知數據處理任務處理數據，通知SD卡任務備份數據，以及將GPS加入至輻射測量數據等。鍵盤掃描任務進行用戶指令的識別，將其發送到消息處理任務；LCD顯示任務完成輻射數據譜線及相關參數的顯示。

SD卡數據存儲采用開源的FAT32文件系統包FATFS0.07C完成，SD卡數據任務運行時首先進行文件系統的相關結構體初始化，然后響應按鍵指令后將測量數據采用定期或非定期寫入，以后后續使用進行翻查[6]。USB數據傳輸任務響應上位機指令，將實時數據或從SD卡讀取歷史數據傳輸至上位機。

在STM32[7]上電復位后，首先進行設備自檢，硬件設備無誤后啟動操作系統并創建任務，開始運行應用程序。

4 結 論

通過實地使用，實測137Cs放射源能譜很清楚看出137Cs發出的全能峰、康普頓峰和反射峰。其能量分辨率達到10%左右。

該系統其他技術參數為：γ射線能量分析范圍為20 keV～3.0 MeV，連續測量數據符合放射性統計漲落規律，使用NAI探測器時，整機功耗為小于990 mW，實測USB最大傳輸速率為1 Mbps，在核輻射現場測量中有較好的應用前景。

[1]劉龍，張云翠，郭景福.用嵌入式系統實現中子廳監測[J].核電子學與探測技術，2009（7）:892-894.

LIU Long，ZHANG Yun-cui，GUO Jing-fu.Monitor system for neutron room based on embedded system[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2009（7）:892-894.

[2]熊建平，陳軍，朱文凱.核輻射與有害氣體監測儀設計[J].核電子學與探測技術，2006（11）:835-837.

XIONG Jian-ping，CHEN Jun，ZHU Wen-kai.Designof instrument for monitoring nuclear radiation and baneful gas[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2006（11）:835-837.

[3]熊建平.基于單片機的核輻射監測儀[J].核電子學與探測技術，1999（1）:63-65.

XIONG Jian-ping.Nuclear radiation monitor based on Single-Chip microcomputer[J].Nuclear Electronics& Detection Technology，1999（1）:63-65.

[4]王春生，馬英杰，韓鋒.基于ARM-?C/OS-Ⅱ的核數據采集系統[J].核電子學與探測技術，2008，28（1）:72-75.

WANG Chun-sheng，MA Ying-jie，HAN Feng.The nuclear data collecting system designed with ARM and?C/OS-Ⅱ[J].Nuclear Electronics&Detection Technology， 2008，28（1）:72-75.

[5]賴萬昌，葛良全，吳永鵬，等.新型便攜式微機多道γ能譜儀的研制[J].核電子學與探測技術，2004，24（1）:37.

LAIWan-chang，GE Liang-quan，WU Yong-peng，etal.Measurements of the anistopyic distribution on the DPF device[J].Nuclear Electronics&Detection Technology，2004，24（1）:37.

[6]孫啟富，孫運強，姚愛琴，等.基于STM32的通用智能儀表設計與應用[J].儀表技術與傳感器，2010，10:42-45.

SUN Qi-fu，SUN Yun-qiang，YAO Ai-qin，et al.Design and application of general intelligent instrument based on STM32[J].Instrument Technique and Sensor，2010（10）:42-45.

[7]夏駿，王甜.基于STM32和GSM的遠程遙控定時開關裝置[J].電子科技，2013（1）:112-114，130.

XIA Jun，WANG Tian.Remote control timer switch device based on the STM32 and GSM[J].Electronic Science and Technology，2013（1）:112-114，130.