基于FPGA的T i me-To-Count 輻射測量儀的系統(tǒng)研究

營口世紀電子儀器有限公司 王 洋 侯廣軍 高 健

基于FPGA的T i me-To-Count 輻射測量儀的系統(tǒng)研究

營口世紀電子儀器有限公司 王 洋 侯廣軍 高 健

本文以FPGA EP1C12F256i7芯片為核心，根據(jù)Time-To--Count輻射測量方法學習探討。使用其核心器件，對于Time-To-Count技術使用方法，利用EP1C12F256i7芯片的計數(shù)器設置控制硬件邏輯引腳功能，解決了Gm管較長死時間問題，導致測量范圍誤差較大，本文論證FPGA EP1C12F256i7處理器芯片的time-to-count 可以提高GM計數(shù)管的測量范圍與測量精度。

FPGA；Time-To-Count；蓋革一彌勒計數(shù)管；輻射測量

1.Time-To-Count輻射測量儀的系統(tǒng)組成

為解決輻射測量儀測試的穩(wěn)定性，系統(tǒng)由fpga EP1C12F256i7核心板、 Time-To-Count控制板及輻射探測測器七個主要部分組成。輻射部件組成如圖1。EP1C12F256i7控制板上采用fpga處理器芯片、復位電路、電源電路、串口電路、IC EEROM電路 、2556X64液晶接口電路、鍵盤接口電路等。輻射測量儀對于脈沖信號的處理及對高壓電源、液晶顯示、鍵盤的控制，fpga EP1C12F256i7控制板是Time-To-Count輻射測量儀采集Gm最關鍵的部分。主要功能實現(xiàn)対Time-To-Count系統(tǒng)的計數(shù)前時間精確計算、控制高壓電源的通斷、対于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集并處理，通過io口及控制oled、鍵盤處理。利用電源轉(zhuǎn)換芯片提供提供高壓電源的DC/DC升壓變壓器輸入，使高壓電源模塊穩(wěn)定。

圖1 輻射儀各部件關系

（1）電源電路

輻射測量儀的電源是LM2576電源芯片， 前端用達林頓驅(qū)動管，瞬太抑制二極管，自恢復保險絲組成保護電路。通過外接+24V-40V濾波后電壓穩(wěn)壓芯片LM2575為提供+5V的電源。由于FPGA EP1C12F256i7需要3.3V的電源供電，所以我采用臺灣生產(chǎn)AMS1117-3. 3芯片，設計中增加10uh電感，可加少量的濾披電容和限制瞬時的電流，把LM2575輸出出來5v電源供AMS1117-3.3 V的電源，AMS1117-3. 3是臺灣公司生產(chǎn)的LDO芯片，特點是輸出電流大約1A，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，設計中其輸出端需要一個100uF的鉭電容來改善瞬態(tài)變化和穩(wěn)定性 。

（2）系統(tǒng)時鐘電路

FPGA EP1C12F256i7控制板可使用外部品振成外部時鐘源， 內(nèi)部電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘，提供系統(tǒng)運行速度，此Time-To-Count輻射使的控制板板使用了外部50MH品振。可以將測量得到的數(shù)據(jù)通過485總線/232串口發(fā)送給上位機(PC) ，利用vb，vc編寫上位機標定程序，利用該時鐘電路使串口波特率更精確，通訊穩(wěn)定。

（3）JTAG接口電路

本文的FPGA EP1C12F256i7控制板來用ALTERA公司提出的標雄i20腳JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG信號定義及與EP1C12F256i7的連接。根據(jù) EP1C12F256i7的應用手冊說明，在TDO，TCK，TDI引腳接一個1KΩ的下拉電阻，JTAG接口電路的作用使IC芯片固化，通過邊界掃描便可以被測試。在此基礎上增加限流電阻保護JTAG口的穩(wěn)定性，避免芯片燒毀。

（4）oled接口電路

選用OLED模塊，有spi串行多種接口方式.其顯示分辨率為256X64，方顯示256X64顯示數(shù)據(jù)RAM，可完成圖形.數(shù)字 文字顯示，具有低電壓低功耗的特點。 簡單的驅(qū)動電路既可驅(qū)動發(fā)光、耐低溫-40°c等特性，在所以本系統(tǒng)將利用5個IO來模擬八位數(shù)據(jù)/地址總線，OLED_WR#_C來產(chǎn)生LCD的讀信號，用OLED_DC#_C來產(chǎn)生LCD數(shù)據(jù)/地址控制信號。OLED_WR#_C來至控制片選信號，OLED_ret#_C引腳復位信號，接入IO +3.3V0電源作為 VCC，I/0口接+3.3V器件的數(shù)字理輯電路 。

（5）鍵盤接口電路

本輻射測量儀設置8個獨立獨鍵，分別為Key1- Key8，所示由于IO口(Key1_C- Key8_C，)作為輸入時，內(nèi)部無上拉電阻，使用R200至R207等8個上拉電阻， 這個電路的工作原理是采用程序掃描的方式檢測某個按鍵狀態(tài)。比如將Px口的4位全置為低電平，這時如果沒有任何按鍵按下的話，從Py口讀回的4位應全為高，而如果有某一鍵按下，則對應按下鍵的那一列的位讀回值將為低。這樣就能知道按下鍵所在的列；接著確定按鍵所處行，把Py口的輸入值作為輸出，Px全部置高并讀取輸入，就能得到按鍵所在行位置，于是就確定了所按按鍵的行列位置。

（6）G-M探測器連接電路

蓋革-彌勒計數(shù)管(GM管)也稱氣體放電計數(shù)器。一個密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導電物質(zhì)，或是一個金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空充惰性氣體(氖、氦)、鹵族氣體。特點是工作電壓低。本電路選用了J305βγ型玻璃計數(shù)管，其測量范為的10μgy/ h到50gy/h，工作電壓為在+360～+430v，我們選用430V 。 選擇天津生產(chǎn)的高壓DC/DC 模塊，由系統(tǒng)接入5v，轉(zhuǎn)換出430v高壓提供計數(shù)管。

當脈沖通過RC電壓后送到高壓處理模塊HV引腳高壓送入驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊輸出為負短形脈沖， 接入FPGA處理器的P0.4(m_t)腳 ，此引腳為的定時器0捕獲輸入通道1 。FPGA精準判斷來至m_t引腳的設是否為下降沿觸發(fā)， 通過定時器0捕獲輸入通道1產(chǎn)生的中斷來調(diào)用中斷處理程序，計算計數(shù)前時間 ，不會受計數(shù)管死時間影響。

2.結語

本文以 FPGA為平臺采用了Time-To-Count方法對輻射射線測量進行設計，該方法的應用提高了輻射儀的量程、 人機操作也簡單。也可以利用上位機電腦對儀器進行標定，改變了原多GM管線性補償計算方法的帶來誤差，提高 GM計數(shù)管的量程。運用Time-To-Count測量方法的使用，將J305計數(shù)管的測量范圍提高了100倍，刻服了GM管死時間的影響，最終達到提高了測量范圍及精度的目的。

[l]紹暉,談偉飛等．一種新的-G-M計數(shù)管Time-To-Count測量方法[J]．核電子學與探測技術,2002,22(3)： 2ll-2l4．

[2]劉志強,馬紅光,馬文彥等．Time-To-Count技術測量輻射強度的原理[J]．核電子學與探測技本,2006,26(l)：4l-44．

[3]楊永剛等．基于ARM的Time-To-Count輻射測量儀的研究[D]．成都理工大學,2008．

王洋（1983—），男，遼寧營口人，大學本科，工程師，研究方向：電子技術。

侯廣軍（1975—），男，遼寧營口人，大學專科，工程師，研究方向：電子技術。

高健（1988—），男，遼寧營口人，大學本科，助理工程師，研究方向：電子技術。