用ATmega128控制的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)

在4兆伏靜電加速器工作區(qū)域內(nèi)，需建立大范圍的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。其中多道脈沖幅度分析系統(tǒng)是關鍵。對γ射線探測器輸出脈寬信號（1～2µs）的峰值進行采集分析，其采集速率必須大于1MS/s[1]。
當前類似系統(tǒng)大都采用C51系列單片機（89C51）作為主控制器，由于C51系列單片機機器周期為12個時鐘周期，工作頻率為12MHz時指令執(zhí)行速率僅為1MIPS，其速度慢的缺點影響了多道脈沖分析系統(tǒng)采集及數(shù)據(jù)傳輸速率。
我們設計的這套系統(tǒng)第一大特點，采用AVR單片機系列功能最強大的ATmega128，取代C51系列單片機，使系統(tǒng)的工作速度提高了數(shù)十倍，采集速率可達到5MS/s。第二大特點，為解決與上位機通訊速度慢的問題，采用USB接口技術，使數(shù)據(jù)傳輸速率達到1Mbit/s。因而，該系統(tǒng)從根本上滿足了核電信號要求采集速度高，通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性強、易擴展、可靠性高等優(yōu)點[2]也極大地改善了其使用特性。
1 ATmega128工作原理及其特點
ATmega128是AVR系列中功能最強的單片機，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[3]。ATmega128指令執(zhí)行的時序圖如圖1所示。

其機器周期為1個時鐘周期，絕大多數(shù)指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時可達到16MIPS的性能。可產(chǎn)生周期為125ns（頻率為8MHz）的方波作為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時鐘信號，比C51單片機的速度要高20～30倍。
2 ATmega128控制多道脈沖幅度分析系統(tǒng)的結構原理
以AVR單片機ATmega128作為控制核心的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)主要由程控放大電路、閾值電路、峰值保持電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲器擴展電路及USB接口電路組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示

圖1 多道分析系統(tǒng)結構框圖
γ射線探測器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶體，它和PMT（光電倍增管）及前置放大器封
裝一體，輸出與被探測能量成正比的電壓脈沖程控放大后，經(jīng)閾值電路后進入峰值保持電路。在ATmega128控制下，完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入擴展存儲器。待PC機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)指令，將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給PC機。
2.1 程控放大及閾值電路
程控放大電路采用高速（帶寬為170MHz）、低漂移的運算放大器AD9631，通過ATmega128調(diào)整具有I2C總線接口X9241M（數(shù)字電位器）輸出電阻，改變其放大倍率。主要目的是定期測量標準放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射線的全能峰)的峰位變化―峰位漂移的“道數(shù)”，調(diào)整其倍率穩(wěn)定特征峰峰位[4]。
閾值電路由高速精確的電壓比較器AD790（響應時間為45ns）、X9241M及基準源組成，ATmega128調(diào)整X9241M輸出電阻設定其下限閾值電壓，剔除探測器輸出的低噪聲信號。
2.2 峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
代表γ射線輻射能量的電壓脈沖信號非常窄，寬度在1～2µs左右，無法直接進行A/D轉(zhuǎn)換，將其峰值擴展后方可進行量化。由ATmega128控制的峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。峰值保持電路由ADG721和AD790組成。ADG721是高速COMS開關，高電平有效，開關閉合需要為24ns，斷開需要11ns。