用ATmega128控制的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)

峰值保持原理：開(kāi)始ATmega128控制開(kāi)關(guān)K1閉合，K2斷開(kāi)。U1輸出電壓分成兩路，一路經(jīng)二極管對(duì)100PF的電容C1充電；另一路送至電壓比較器U3，與射極跟隨電路U2輸出電壓比較。當(dāng)U2輸出電壓大于U1輸出電壓時(shí)，此時(shí)電容C1保持的電壓即為峰值電壓。ATmega128接收到U3發(fā)出中斷信號(hào)（INT2）后控制開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，啟動(dòng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)其采集并存儲(chǔ)，完成后控制開(kāi)關(guān)K2閉合，對(duì)電容C1進(jìn)行放電。最后控制開(kāi)關(guān)K1閉合，K2斷開(kāi)準(zhǔn)備采集下一個(gè)γ事件峰值。電容C1是云母電容器，有極高的防泄露電能力，因而能夠保持窄脈沖信號(hào)的峰值。
高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，AD9220是ADI公司一款性能優(yōu)良的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速率可達(dá)10MSPS[5]。選擇內(nèi)部參考源，用單端輸入方式來(lái)進(jìn)行采樣，一次采樣需要一個(gè)時(shí)鐘周期，其速率取決于輸入時(shí)鐘的頻率，電壓輸入范圍為0～5V。
ATmega128采用16MHz晶振，機(jī)器周期為62.5ns。通過(guò)軟件編程在PD5端口產(chǎn)生周期為125ns的方波，作為AD9220進(jìn)行采樣的時(shí)鐘信號(hào)（CLK）。由于每次采樣后ATmega128還要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間需62.5ns。故每獲得一個(gè)數(shù)據(jù)總共需要187.5 ns。經(jīng)測(cè)試表明，采用ATmega128成功彌補(bǔ)了89C51速度慢的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了AD9220高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到了5MS/s。
由于ATmega128內(nèi)部?jī)H含有4K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集量大于4K時(shí)，采用62256(32K)擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
2.3 USB接口電路及軟件設(shè)計(jì)
采用CH375作為USB控制器，它是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，支持主機(jī)方式和從機(jī)方式，具有8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、寫(xiě)（WR#）、片選控制線（CS#）以及中斷輸出（INT#），作為從機(jī)掛接到ATmega128
的數(shù)據(jù)總線上與上位機(jī)通信[6]。CH375與ATmega128接口電路如圖4所示。

圖4 USB控制器CH375與ATmega128接口電路
在本地端，采用從機(jī)方式的CH375采用內(nèi)置固件模式。ATmega128對(duì)CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375（其命令格式參考文獻(xiàn)6），然后是執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到計(jì)算機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。
在計(jì)算機(jī)端，采用VC作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供的API函數(shù)對(duì)其操作。將CH375芯片的驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)拷貝到計(jì)算機(jī)中，再將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的訪問(wèn)入口及函數(shù)定義入口添加至VC項(xiàng)目中后，對(duì)USB設(shè)備的通信編程就幾乎和訪問(wèn)本地硬盤(pán)中的文件差不多了。
3 全能峰測(cè)量
該系統(tǒng)探測(cè)137Cs得到的全能峰如圖4所示，閾值電路下限閾值電壓設(shè)定為0.5V。橫坐標(biāo)為能量，分4096道，縱坐標(biāo)為每道的記數(shù)值。從該圖中可以得出137Cs的半高寬為171，能量分辨率為8.09%，產(chǎn)生662KeV的γ射線譜峰的最大計(jì)數(shù)是3395，對(duì)應(yīng)的譜線道數(shù)是2115。

4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)由于采用AVR單片機(jī)ATmega128作為主控制器和USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)數(shù)率高，死時(shí)間小。不僅具有采集速率高（5MS/s）的優(yōu)點(diǎn)，還具有傳輸速度快（1Mbit/s）、易用、可擴(kuò)展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用到我校4兆伏靜電加速器的核輻射防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。