基于PIC和FreeRTOS的輻射劑量實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

侯躍新，肖丹，楊斌，李鋼，李巖

（1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱150010；2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱150020）

基于PIC和FreeRTOS的輻射劑量實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

侯躍新1，2，肖丹1，2，楊斌1，李鋼1，李巖1

（1.黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱150010；2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱150020）

為了滿足輻射劑量實時監(jiān)測及遠程無線傳輸?shù)男枨螅O計了基于PIC內(nèi)核和嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)。采用PIC24系列單片機為內(nèi)核的PIC24FJ128GA106微控制器和中興的GPRS模塊Me3000等進行相關的硬件電路設計，通過移植FreeRTOS內(nèi)核實現(xiàn)對蓋革計數(shù)管的數(shù)據(jù)采集、GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿盏恼{(diào)度和對其他硬件資源的管理，簡化了硬件設計的復雜度，優(yōu)化了軟件編程，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，降低了成本。

PIC；輻射劑量；FreeRTOS；實時

核技術經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，目前已日漸成熟，被廣泛地應用于核能、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等各個領域，并在各行各業(yè)發(fā)揮著不可替代的作用。然而，核技術是一把雙刃劍，在給我們帶來巨大實惠的同時，也給我們的生產(chǎn)生活帶來一定的隱患。從1998年以來，平均每年都有數(shù)十起放射事故。輻射劑量監(jiān)測作為核技術的安全應用基本保障之一，越來越引起人們廣泛關注。隨著科學技術的不斷發(fā)展，輻射劑量監(jiān)測已經(jīng)由原始的人工監(jiān)測、遠程有線監(jiān)測，發(fā)展到現(xiàn)在的無線實時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸、現(xiàn)場報警和遠程通知等功能都需要在同一時間完成，這樣才能保證監(jiān)測的實時性，對突發(fā)事件做出及時響應。因此，本文利用PIC系列單片機，結合FreeRTOS實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)對輻射劑量的遠程實時在線監(jiān)測。

1　系統(tǒng)整體設計

輻射劑量實時監(jiān)測系統(tǒng)主要利用蓋革計數(shù)管或閃爍探測器的輻射劑量探測傳感器對射線劑量進行探測，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過GPRS等遠程數(shù)據(jù)傳輸技術將分析結果傳送至上級監(jiān)控中心，并可對現(xiàn)場突發(fā)事件做出相應的預警。該系統(tǒng)由嵌入式PIC單片機、輻射探測器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPS定位模塊等組成。該系統(tǒng)整體方案［1-2］如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體方案圖Fig1.The system block diagram

本系統(tǒng)選用PIC24FJ128GA106微控制器，該系列控制器是一款集成了一個完整模擬信號鏈的模擬片上系統(tǒng)，其中包括Microchip有史以來首個片上高精度16位ADC及10 Msps的12位ADC；還有一個DAC、兩個運算放大器(運放)，并具備能夠延長便攜式醫(yī)療和工業(yè)應用電池壽命的超低功耗技術(XLP)。與多芯片實現(xiàn)相比，大大降低了成本，有助于實現(xiàn)更低噪聲、更快吞吐量和更小PCB尺寸設計。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1GPRS模塊選型及與微控制器的接口設計

從產(chǎn)品設計及實用性角度考慮，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文選用中興公司的ME3000作為無線GPRS傳輸模塊，該模塊是新一代GSM通信模塊，支持端對端、端對用戶的通信方式，支持SMS、GPRS等數(shù)據(jù)傳輸和語音呼叫。模塊提供了非常完整的使用接口，包括兩路串行數(shù)據(jù)通信接口、SIM卡接口。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，串口支持GSM07.10協(xié)議，波特率可調(diào)。默認AT指令的波特率為115 200kbps。

ME3000模塊輸出IO電平為2.9V TTL，與標準3.3V或5V邏輯電路連接時，需經(jīng)電平轉換，圖2所示為串口電平轉換電路，轉換后的信號可直接與微控制器連接。

圖2　Me3000電平轉換接口電路Fig 2.Me3000 level switch interface circuit

2.2劑量探測及接口電路

在設計中，劑量探測器采用蓋革計數(shù)管，選用高精度高穩(wěn)定性的高壓模塊為計數(shù)管提供其正常工作的電壓。計數(shù)信號由計數(shù)管陰極取出，經(jīng)濾波隔離甄別之后送至施密特觸發(fā)器4528進行信號整形處理，最后計數(shù)脈沖由單片機收集處理。如圖3所示。

從電路中我們可以看出，陰極信號需要經(jīng)過阻容濾波處理，信號放大整形之后才可被采集處理。計數(shù)管陰極信號輸出不超過10V。

圖3　計數(shù)管陰極信號取出電路Fig 3.Counter cathode signal circuit

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1FreeRTOS在PIC24上的移植

FreeRTOS是一款輕量級的操作系統(tǒng)，主要功能包括［3］：任務管理、內(nèi)存管理、時間管理、消息隊列、信號量等，具備小系統(tǒng)運行的基本要素。系統(tǒng)運行過程中，采用優(yōu)先級調(diào)度算法，任務根據(jù)級別被劃分為不同的優(yōu)先級，處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務總是被優(yōu)先運行。同時利用輪換調(diào)度算法，對相同的優(yōu)先級的任務進行管理，在沒有更高優(yōu)先級任務就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務共享CPU的使用時間。

FreeRTOS支持MICROCHIP公司的芯片PIC24系列芯片，所以PIC24FJ128GA106在移植FreeRTOS時，可以根據(jù)官方函數(shù)庫做少許修改即可實現(xiàn)基本運行，并通過添加任務，修改優(yōu)先級實現(xiàn)多任務的實時操作。在移植過程中主要修改portmacro.h、FreeRTOSConfig.h和list.c三個文件，主要完成對數(shù)據(jù)類型的定義、設置處理器頻率、心跳次數(shù)、遞歸互斥功能、計數(shù)器型信號量功能、改變?nèi)蝿諆?yōu)先級、協(xié)程公用堆棧等。

3.2任務的創(chuàng)建與調(diào)度

在頭文件task.h中，portBASE_TYPE xTaskCreate函數(shù)負責任務的創(chuàng)建，實際上，任務是一個死循環(huán)，即永遠不會退出的C函數(shù)。在該函數(shù)中主要完成對任務名、棧空間和優(yōu)先級等進行基本設置，一般優(yōu)先級的取值范圍可以從最低優(yōu)先級0到最高優(yōu)先級(configMAX_PRIORITIES-1)。

4　結語

本文詳細介紹了以PIC24FJ128GA106單片機為主控制器，嵌入FreeRTOS實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)射線劑量的實時監(jiān)測設計。該設計使系統(tǒng)的硬件得到簡化，且便于系統(tǒng)改進升級，以及外設的擴展。同時，嵌入了實時操作系統(tǒng)FreeRTOS，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，實時性更強，簡化了編程。該設計滿足了人們對實時性、可靠性要求，對放射源等射線裝置的安全利用提供了一定的保障。

［1］宋華魯，閆銀發(fā)，張世福，等.基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽能干燥實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2013，36（23）：103-109.

［2］呂成興，劉軍禮，劉波，等.基于Contex-M3和FreeRTOS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］．中國水運，2011，11（12）：86-87.

［3］BARRY R..Using the FreeRTOS real time kernel［EB/OL］.（2011-01-08）［2015-04-23］.http://www.FreeRTOS.org/Documenttation.

Design of real?time monitoring system for radiation dose based on PIC and FreeRTOS

HOUYue-xin1,2,XIAODan1,2,YANGBin1,LI Gang1,LI Yan1
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150010,China;
2.Institute ofAdvanced Technology,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150020,China)

Asystemofdata acquisition and remote wireless transmission based on PICkernel and embedded FreeRTOSwas designed,in order to meet the needs ofreal?time monitoring system for radiation dose.The related hardware circuits were designed by using PIC24FJ128GA106 micro controller which consisted of PIC24 core and ME3000.It achieved management of hardware resources and schedule of some tasks through transplant FreeRTOS.This system simplified the complexity of hardware design,optimized software performance,improved reliability of the systemand reduced costs.

PIC;radiation dose;FreeRTOS;real-time

TP277

A

1674-8646（2015）09-0042-02

2015-06-25

侯躍新（1960-），男，黑龍江哈爾濱人，研究員，學士，從事核探測及核電子學研究。