基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監測系統研制

張 力，王 磊，羅 勇，成 毅，柳炳琦

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監測系統研制

張 力，王 磊，羅 勇，成 毅，柳炳琦

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059）

提出一種基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監測系統設計方法。以STM32F103作為核心控制器，利用能譜轉化函數G（E），將測得的能譜直接換算成劑量，并通過CAN總線組網技術實現多個監測節點與監測主機的數據通信，解決輻射信號的采集與調理、劑量率轉化、CAN組網等問題。測試結果表明：該監測系統具有通信可靠、抗干擾能力強、準確度高等優點，可以實現γ核輻射引起污染傷害的快速評估。

輻射監測；STM32；G（E）函數；CAN總線

0 引 言

在核輻射監測和預警領域，需對γ輻射劑量率進行實時監測，對輻射異常及時告警[1-2]。隨著核設施的不斷建設與核應用的日益廣泛，傳統的點對點核輻射監測已不能滿足高效、實時的要求，而近些年興起的多節點輻射監測方式能迅速、準確地進行遠程監控[3-4]。鑒于此，本文采用STM32作為節點控制器，結合CAN收發器，利用CAN總線組網實現γ放射性輻射監測[5-6]，解決信號的采集、處理與信號傳輸等問題。

1 總體方案設計

如圖1為γ放射性輻射監測系統總體方案設計框圖，由監測主機和監測節點組成。監測主機實現CAN總線數據接收、TFT液晶顯示和聲音報警，監測節點完成信號采集、信號處理和數據發送。

為滿足系統實時性和便攜性的要求，監測節點采用了NAI探測器、高壓模塊、信號調理電路集成于一體的設計方案。設計框圖如圖2所示，NAI探測器與信號調理電路構成信號的采集、整形部分，STM32控制器完成劑量率的轉換，并將γ輻射強度顯示在TFT屏幕上進行現場監控，同時，利用CAN總線組網技術實現監測節點與監測主機的實時數據通信。

圖1 總體方案設計框圖

圖2 監測節點結構框圖

2 系統硬件設計

系統的硬件設計包括了電源模塊、信號調理電路和CAN收發器3部分。電源模塊為電路各部分提供不同電壓，信號調理電路保證了可計數方波信號的可靠獲取，CAN收發器實現監測主機與節點的實時通信。

2.1 電源模塊設計

系統電路所需電壓分別為12 V的信號調理電路電壓、3.3V的核心控制器電壓與5V的運算放大器電壓。為提高電路的精確性與穩定性，選取了TI公司的正向穩壓芯片LM1085IT進行電路電壓轉換，具體電路如圖3所示。該芯片內置基準電壓源和電流限制電路，能夠調整電路恒定電流，并為電路提供穩定電壓。

圖3 LM1085IT穩壓電路

2.2 信號調理電路設計

核信號的精確采樣在核輻射監測中至關重要，幅度與寬度穩定的脈沖信號可以確保系統能夠準確獲取探測器對不同射線的能量響應。對此，本系統采用低噪聲、高帶寬的雙端運算放大器NE5532對信號調理電路進行了具體設計，如圖4所示，主要由電阻調節放大增益，通過電壓比較器LM311進行信號鑒別，并輸出可測量的方波信號。

圖4 信號調理電路

2.3 CAN收發器設計

如圖5所示為CAN收發器接口電路圖，選取帶隔離的高速集成TJA1050芯片作為CAN收發器，其中RS為工作模式選擇引腳，當設置為高電平模式時可防止CAN收發器失控造成的網絡阻塞現象。通過設置J5可方便于增加負載，減少回波反射，達到避免高頻信號在傳輸終端形成的反射波干擾原信號的效果。

圖5 CAN收發器接口電路

3 系統軟件設計

3.1 G（E）函數法

能譜劑量轉換函數（G（E）函數）是一種通過對能譜進行加權處理來調整儀器能量響應的方法[7-8]，此方法可將γ輻射劑量轉換為與脈沖計數個數有關的函數，從而避免因探測器對不同能量射線響應差異而帶來的誤差[9-11]。因此，本文采用對能譜范圍內沉積能量求和的方法獲得γ輻射劑量率，并通過最小二乘法計算由標準點源對探測器進行能量刻度的能譜求出G（E）函數中的權重值，其表示式為

式中：i——能譜道數；

F（Ei）——能譜中能量為Ei的道所對應的計數；

G（Ei）——該道所對應的G（E）函數權重值。

3.2 系統監測節點程序設計

監測節點的數據發送主要是利用CAN總線通信實現，CAN總線通信的穩定性直接關系到監測系統的精確性。因此，設計采用兩種監測機制先后對發送數據進行監測，防止數據的丟失與遺漏。首先，通過報文發送檢查判定當前數據發送是否完成，并在確認數據發送完成后，由掛起報文量進一步排除數據遺漏的可能。當兩種檢測完成后，監測節點通知監測主機數據發送成功，并回到等待觸發中斷狀態。具體流程圖如圖6所示，系統對內部配置與CAN控制器進行初始化后，打開外部中斷接受方波信號，并通過G（E）函數法進行劑量率轉換獲得γ輻射劑量率。之后由上述兩種檢測機制確保數據的傳輸。

圖6 監測節點程序設計流程圖

3.3 系統監測主機程序設計

監測主機的初始化與監測節點基本一致，通過使CAN接收中斷打開CAN控制器進行數據通信，但考慮到數據在傳輸過程中可能存在丟失問題，程序設計采用了異或校驗的方式確保監測節點發送數據的完整性，同時，一旦γ輻射劑量超過警戒閥值，監測主機將自動實施報警，具體流程圖如圖7所示。

圖7 監測主機程序設計流程圖

4 性能測試與分析

根據上述設計思想完成了γ放射性輻射監測系統的設計，并對儀器的性能進行了測試和分析。

通過比較系統監測值與電離室測量結果，從而對儀器進行線性度測試（其中儀器測量值不包括宇宙射線劑量），結果如表1所示，儀器的監測值隨能量增加而變化，且與電離室測量結果基本成線性關系。

表1 儀器線性測試 nGy/h

系統的重復性檢定結果如表2所示，通過對137Cs與60Co分別進行多次測量得出，系統的標準偏差σ=0.08，相對標準偏差為0.1%，誤差完全在允許范圍以內。

表2 儀器重復性測驗 nGy/h

由實驗結果可知，系統線性度良好，且連續監測誤差較小，儀器性能滿足設計要求。

5 結束語

本文介紹了基于STM32和CAN總線的γ放射性輻射監測系統的設計與實現，重點描述了CAN總線數據收發方式、劑量率轉換方法以及其他模塊的設計。該設計方案巧妙地將信號的采集、處理與數據傳輸相結合并可以通過外掛監測節點的方式，實現區域γ放射性輻射監測，可應用于核設施周圍環境監測與日常人居環境監測，能夠有效預防核輻射對人群的傷害。

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Design of γ-ray radiation monitoring system based on STM32 and CAN bus

ZHANG Li，WANG Lei，LUO Yong，CHENG Yi，LIU Bingqi
（College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

A kind of design for γ-ray radiation monitoring system based on the STM32 and CANBus was represented.The design took STM32F103 as a core controller，making use of theG（E）function to transfer the entire obtained weighted spectrum to the radiation dose directly，CAN Bus technology was used to implement data communication among several monitor nodes and the monitor host.The system solved the problems of the acquisition and regulation of radioactive signal，the conversion of does.The benefit of radiation monitoring system was to make it more stable for the anti-interference capability and advantageous to quickly evaluate the damage caused by the γ-ray radiation.

radiation monitoring；STM32；G（E）function；CAN bus

A

：1674-5124（2015）05-0067-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.017

2014-11-14；

：2015-01-09

國家自然科學基金青年基金（41104118）國家杰出青年科學基金（41925015）

張 力（1990-），男，四川成都市人，碩士研究生，專業方向為測試計量技術及儀器。