基于AVR單片機與USB接口的多道譜儀的設計

中國原子能科學研究院　吉曉梅　劉志珍　郭星辰　李瑋瑛　張培旭

基于AVR單片機與USB接口的多道譜儀的設計

中國原子能科學研究院吉曉梅劉志珍郭星辰李瑋瑛張培旭

介紹了一種基于AVR單片機和USB接口的多道譜儀，采用AVR單片機ATmega128作為主控制器，通過USB專用芯片CH372進行數(shù)據(jù)傳輸，該譜儀采集速度快，計數(shù)率高，更換不同的探測器可以實現(xiàn)不同能量范圍的譜數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集；單片機；USB

隨著核科學技術的發(fā)展，需要對核輻射及放射性核素所攜帶的信息進行測量和分析研究，以便能監(jiān)測各種輻射能量和輻射劑量，為核設施的安全運行提供數(shù)據(jù)并防止放射性物質對人員的傷害。多道譜儀是獲取能譜數(shù)據(jù)的重要儀器，傳統(tǒng)的多道譜儀多采用NIM插件，不易使用。隨著單片機技術的飛速發(fā)展，便攜、智能核儀器已成為放射性測量儀器發(fā)展的一個主導方向。

1　系統(tǒng)構成與工作原理

系統(tǒng)主要由探測器，多道譜儀和上位機分析軟件構成。其中多道譜儀由電源電路、高壓模塊、主放大器、數(shù)據(jù)采集電路、USB接口電路構成。系統(tǒng)的工作原理是將探測器輸出的脈沖信號經(jīng)放大器放大成型，然后由多道譜儀區(qū)分出不同道數(shù)的脈沖數(shù)量，并將數(shù)據(jù)通過USB送給上位機，上位機軟件通過數(shù)據(jù)分析處理從而得到探測器所探測到的放射性元素的譜線。系統(tǒng)的硬件組成示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結構組成示意圖

2　硬件設計

硬件設計主要包括了數(shù)據(jù)采集電路和USB接口電路的設計，數(shù)據(jù)采集電路主要由單片機控制在閾值范圍內的信號通過峰值甄別保持電路，由A/D轉換電路進行模數(shù)轉換后進行存儲，然后將數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機。

2.1數(shù)據(jù)采集電路

單片機采用的是AVR系列功能很強的ATMEGA128，其運用Harvard結構概念，具有預取指令功能，即程序存儲和數(shù)據(jù)存儲具有不同的存儲器和總線。當執(zhí)行某一指令時，下一指令預先從程序存儲器中取出，程序執(zhí)行效率高。其機器周期為1個時鐘周期，絕大多數(shù)的指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時可達到16MIPS的性能，即每條指令的執(zhí)行時間僅為62.5ns。

通過ATMEGA128自帶的串行通訊接口（SPI）連接控制數(shù)字電位器，實現(xiàn)了閾值改變的自動化，即只需通過上位機軟件的操作就能改變閾值。由于ATMEGA128內部僅含有4K的數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存儲量較小，所以擴展了一片外部數(shù)據(jù)存儲器。

正是因為ATMEGA128有豐富的外圍接口，加快了開發(fā)的速度。

由于探測器輸出的信號經(jīng)過放大器的整形放大后，峰值寬度較窄，而模擬峰值信號要轉換成數(shù)字信號需要通過A/D轉換電路，轉換電路需要一定的時間來完成轉換，所以在轉換期間要保證模擬峰值信號的穩(wěn)定，必須將峰值展寬，以滿足ADC采樣量化。信號通過閾值篩選后分為兩路，一路給采保電路；另外一路與電壓比較器相連。峰值到達后，提供一個中斷信號給ATMEGA128；然后啟動AD轉換器進行一次模數(shù)轉換后將數(shù)據(jù)存儲到外部存儲器中。

2.2USB接口電路

USB接口電路采用南京沁恒公司的CH372芯片。在本地端，CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便的掛接到單片機的系統(tǒng)總線上；在計算機系統(tǒng)中，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端單片機通訊如同讀寫文件。單片機通過8位并口對CH372進行控制讀寫，CH372工作于內置固件模式，接收到單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)或者給單片機發(fā)送完數(shù)據(jù)后就以中斷的形式通知單片機，單片機則通過讀取中斷標志位來判斷中斷類型，然后做出相應的控制處理。

3　USB接口軟件設計

CH372內置了USB通訊中的底層協(xié)議，具有省事的內置固件模式和靈活的外置固件模式。在內置固件模式下，CH372自動處理默認端點0的所有事務，端點2的上傳端點作為批量數(shù)據(jù)發(fā)送端點，端點2下傳端點作為批量數(shù)據(jù)接收端點，本地端計算機只要負責數(shù)據(jù)交換，所以單片機程序非常簡潔。

程序發(fā)生中斷時，如果是USB通訊中斷則跳轉到USB中斷處理程序，先獲取中斷狀態(tài)并取消中斷請求，然后判斷是端點下傳成功（接收上位機下傳的參數(shù)設置命令）還是端點上傳成功（下位機上傳數(shù)據(jù)給上位機）。若是端點下傳成功，先從USB中斷的端點緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊，并釋放緩沖區(qū)，判斷讀取到數(shù)據(jù)塊的首位是什么命令然后進行處理。若是端點上傳成功即下位機上傳給上位機的數(shù)據(jù)上傳成功，再上傳一組數(shù)據(jù)后釋放當前USB緩沖區(qū)，中斷返回。程序流程圖見圖2。

圖2　USB中斷程序流程圖

4　采用55Fe源對譜儀進行能量分辨率標定

4.1譜儀參數(shù)

譜儀通道數(shù)為1024道，放大倍數(shù)為200倍、下閾值為30mV，上閾值5V。

4.2譜圖

圖3為測得的55Fe能量譜圖，從55Fe的道址-計數(shù)圖中（左圖）可以直觀的看到最明顯的兩個峰。進行能量刻度后（右圖），兩個峰位對應的能量分別為5.9keV和6.4keV，在能量-計數(shù)率圖中，對5.9keV能量峰進行能量分辨率計算，得出能量分辨率為2.2%，即128.1eV。

圖3　55Fe能量譜圖

5　結論

多道譜儀利用ATMEGA128進行控制，底層軟件用于數(shù)據(jù)的采集和處理，所有數(shù)據(jù)通過USB傳送給上位機，不僅采集速率高、傳輸速度快、還具有可擴展，可靠性高等優(yōu)點，采用55Fe源測得該譜儀的能量分辨率為2.2%，即128.1eV

［1］王經(jīng)瑾，范天民，錢永庚，等.核電子學［M］.原子能出版社，1983.

［2］周志成.核電子學基礎［M］.原子能出版社，1986.

［3］吳治華.原子核物理實驗方法［M］.高等教育出版社，1997.

［4］CH372手冊［Z］.南京沁恒電子有限公司

吉曉梅（1981－），女，吉林白山人，大學本科，工程師，研究方向：核電子技術應用。