基于STM32的多功能γ能谱仪设计

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摘要:文中介绍了一种基于STM32微处理器的γ能谱仪的研制。该仪器由主探测器、主控电路,GPS模块,SD卡存储模块,USB接口电路构成。是一种集辐射强度检测、辐射源地理位置定位,数据存储,USB传输等功能于一体的监测系统,大大丰富并提高了能谱仪的性能。

随着对天然辐射场中低能量γ谱学及其应用的深入研究,γ能谱仪不仅在固体矿产勘探、油气普查、水文和工程地质调查等工业生产及科学研究方面,甚至在民用的环境辐射场调查、建材与建筑装饰材料放射性检测方面,都得到广泛的应用,应用场合的复杂多样化对核辐射测量仪器提出新的需求。传统的核辐射测量仪器常采用探头与主控仪器分离的方式,而且主控仪器通常采用32位ARM7处理器甚至8位单片机系统来进行控制,数据采集常采用速度较低的ADC芯片。硬件电路复杂、体积大、集成度低、功能单一。近年ARM公司Cortex—M系列ARM核的推出将微控制器的性能提高到一个崭新的高度,同时功耗与成本大大降低。本文介绍一种主要基于最新Cortex—M3核的STM32微处理器,利用NaI探测器,融合无线通信,位置定位功能、具备大容量SD卡文件数据存储、USB传输接口的γ能谱仪设计。

1 系统总体结构

本能谱仪是以意法半导体出品的STM32芯片为主控制器,搭配NAI探测器及外围电路构建的硬件平台;以嵌入式实时操作系统uCosII2.9.0为软件平台,进行驱动开发,应用程序管理。系统总体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

电源部分采用锂电池组供电,经过电源管理模块产生探头所需高压外,还需提供信号调理,控制回路所需工作电源;主控制器部分采集GPS模块定位数据,实时时钟模块时间数据,加入到辐射测量数据中作为数据标志;同时将测量结果显示在TFT液晶屏上,或者通过USB电路传送至上位机;在主控制作用下,系统定时会将测量数据保存至SD卡,存储数据以备回查。在系统硬件设计中,主控制器回路,前置放大及脉冲成型电路、甄别电路及GPS电路是本能谱仪重点改进之处。谱仪硬件组成如图2所示。

2.1 主控制器STM32

为了充分发挥Cortex—M3核特点,降低能谱仪功耗的同时提升系统处理速度和其他性能,系统采用STM32系列32 Bit微控制器,芯片型号为STM32F103ZETT6。该芯片工作频率为72 MHz,内置高速存储器,64K的SRAM和512K的Flash,具备丰富的增强IO端口和连接到两条APB总线的外设。器件包含两个12 bit的ADC,3个通用16 Bit定时器和一个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口:2个I2C和SHI,5个USART,1个USB和CAN。工作电压为常见的3.3V。该芯片专门设计于集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争价格与一体的产品设计领域需求。

2.2 前置放大及脉冲放大成形电路

为了满足现场工作灵敏的脉冲放大器要求,选用φ75x75 mm NaI(TI)探测器,能量分辨率一般可达到8%(铯137源)。探测器工作后经光电倍增管产生的信号首先通过前置放大器和主放大器调理,用于对探测器输出信号的幅度放大和脉冲成形。前置放大器由高速、低漂移、宽频带集成运算放大器AD844构成的电压跟随器,主放大器包括极零相消电路、可调主放大器、有源积分滤波电路。主放大器由AD8066配套周围电路组成如图3所示。

图4为积分滤波成形电路。前一级是二阶有源积分滤波成形电路。随后紧跟一级无源RC积分电路。核脉冲信号经过积分滤波成形电路后,就可以得到顶部较圆,信噪比较高的高斯型波形信号,方便后续电路处理。

2.3 甄别电路

脉冲整形后信号通过峰值检测及相应控制电路,然后送入主控制器模数转换器进行采集。为消除高能或低能噪声对测量的干扰,对脉冲幅度需采用幅度甄别器来对信号进行甄别,只允许一定幅度的脉冲通过,供后继电路采集。此部分电路采用LM339电压比较器,其输入阻抗高,开环增益大,电压上升速率快,恢复时间短,具体设计如图5所示。

2.4 GPS电路、实时时钟电路及SD卡存储电路

传统谱仪仅实现辐射强度实时测量,对测量点具体位置及测量具体时间无法记录,也无法实现大量数据的存储,以提供历史数据回查功能。为了克服以上缺点,本能谱仪进行了改进。

为了实现辐射源实时位置的监测,系统需要配置定位设备,由于辐射源的适用场合主要是室内,而普通的GPS在室内无信号,无法满足实际应用需要,本系统选用GPS和CDMA移动通信双重定位技术的GPS-one模块来实现辐射源的实时定位,GPS-one是美国高通公司开发的基于CDMA

技术标准的定位技术,采用Client/Server方式。他将无线辅助A—GPS和高级前向链路AFLT三角定位这两种定位技术有机结合,实现高精度、高可靠性和较高定位速度。在A—GPS定位技术无法使用的环境中,会自动采用AFLT三角定位技术,从而确保定位的成功率和准确度。本谱仪使用的GPS-one模块具体型号为DTGS8—8000 DTGS8—800模块具有标准的RS232接口,可通过TTL—RS232转换器与STM32连接,采用标准的AT指令驱动模块工作。

辐射强度测量数据的存储物理介质为高密度SD卡,利用STM32内部集成的SDIO接口扩展的micro—SD卡作为数据存储;实时时钟电路采用DS1337日历芯片,利用STM32内部集成的串行IIC总线接口与之连接。上述设备连接方式简单,通信可靠,大大降低了系统尺寸,提高了稳定性。

 

2.5 其他外围电路

经过外围电路调理过的核辐射脉冲信号通过STM32内置的高速ADC进行测量,STM32F103ZET拥有两个12bit的ADC,其VREF+,VREF-为基准电压输入引脚。基准电压输出电路采用REF3233,为系统提供精密3.3 V参考电压,保障数据采集精确。

利用STM32内置全速USB2.0接口,配合若干电阻电容,扩展USB接口,作为上位PC机与谱仪通讯使用。上述部分具体连接电路在此不予赘述。

3 系统软件设计

系统设置数据处理、LCD实时显示、键盘扫描、SD卡数据读写、GPS位置定位数据处理、处理USB数据传输和消息处理一共7个任务。由于核信号的随机性和峰值信号的时间间隔不可预料性。辐射强度测量重要数据处理,采用DMA中断方式,保证采集数据能够快速得到处理。

各个任务利用uCosII提供的消息队列机制循环处理上位机命令和键盘命令。消息任务中设置消息处理函数,根据命令不同,通知数据处理任务处理数据,通知SD卡任务备份数据,以及将GPS加入至辐射测量数据等。键盘扫描任务进行用户指令的识别,将其发送到消息处理任务;LCD显示任务完成辐射数据谱线及相关参数的显示。

SD卡数据存储采用开源的FAT32文件系统包FATFS0.07C完成,SD卡数据任务运行时首先进行文件系统的相关结构体初始化,然后响应按键指令后将测量数据采用定期或非定期写入,以后后续使用进行翻查。USB数据传输任务响应上位机指令,将实时数据或从SD卡读取历史数据传输至上位机。

在STM32上电复位后,首先进行设备自检,硬件设备无误后启动操作系统并创建任务,开始运行应用程序。

4 结论

通过实地使用,实测137Cs放射源能谱很清楚看出137Cs发出的全能峰、康普顿峰和反射峰。其能量分辨率达到10%左右。

该系统其他技术参数为:γ射线能量分析范围为20 keV~3.0 MeV,连续测量数据符合放射性统计涨落规律,使用NAI探测器时,整机功耗为小于990 mW,实测USB最大传输速率为1 Mbps,在核辐射现场测量中有较好的应用前景。

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意法半导体/ST/STM

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