基于LPC2134的多道脈沖幅度分析器設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　核能譜輻射測(cè)量技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，是核探測(cè)技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科相互交叉滲透的產(chǎn)物。具有現(xiàn)場(chǎng)、多元素快速分析等特點(diǎn)。核能譜輻射測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不僅用于核研究，也在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、考古學(xué)等學(xué)科扮演著越來(lái)越重要的角色。由于閃爍記數(shù)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比關(guān)系，因此，測(cè)量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。然而，脈沖幅度的測(cè)量在核能譜輻射探測(cè)中則是一個(gè)重要問(wèn)題。

　　多道脈沖幅度分析器不僅能自動(dòng)獲取能譜數(shù)據(jù)，而且一次測(cè)量就能得到整個(gè)能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間，與此同時(shí)，其測(cè)量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)50年代以來(lái)，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速，現(xiàn)在已成為獲取核能譜數(shù)據(jù)的通用儀器。

　　傳統(tǒng)的核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上大多采用分離元器件以及8位單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，故其功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低并且難于調(diào)試；而在軟件設(shè)計(jì)上也多采用冗長(zhǎng)繁瑣的匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差、性能難以保證。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些新型低功耗集成電路、ASIC集成電路、微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷引入，使核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能日益完善和強(qiáng)大，也為核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向輕便化、智能化、微機(jī)一體化以及網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展提供了必要條件。

　　多道分析任務(wù)是將被測(cè)量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔，然后測(cè)量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，最后得到輸入信號(hào)的脈沖幅度分布曲線。其測(cè)量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A／D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。

　　在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中開(kāi)辟一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個(gè)計(jì)數(shù)器，每一個(gè)脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器。多道脈沖幅度分析時(shí)，可在微處理器的控制下，將被分析的脈沖信號(hào)首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A／D變換形成一個(gè)代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址)。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址。并使該地址對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計(jì)數(shù)加一)。這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量，存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)數(shù)器緩沖中各計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的多少就可反映輸入脈沖的幅度分布。

　　1 多道脈沖幅度分析器結(jié)構(gòu)

　　一臺(tái)完整的核地球物理儀器通常可分為兩部分：核輻射探測(cè)器和嵌入式系統(tǒng)。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來(lái)自放大器的信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果；另一方面將存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或通過(guò)計(jì)算機(jī)接口送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和譜線顯示。

　　本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖信號(hào)在通過(guò)甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過(guò)峰信息，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對(duì)脈沖信號(hào)峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在片上Flash中，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

　　2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 脈沖線性主放大器

　　多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、ARM嵌入式系統(tǒng)組成，其控制核心為嵌入式系統(tǒng)。它的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類(lèi)計(jì)數(shù)。多道脈沖幅度分析器將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個(gè)幅度間隔，幅度間隔的個(gè)數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù)，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析的越精細(xì)，各個(gè)道的計(jì)數(shù)相應(yīng)減少，需要測(cè)量的時(shí)間就要加長(zhǎng)，硬件電路也隨之復(fù)雜。因此，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5～10道。對(duì)于采用NaI探測(cè)器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿(mǎn)足測(cè)量要求。而對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測(cè)器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來(lái)顯示1024道。

　　主放大器應(yīng)放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償核輻射探測(cè)器輸出脈沖幅度的變化。由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏)，脈沖寬度比較窄，因此。為了能進(jìn)行信號(hào)幅度分析，實(shí)現(xiàn)能譜測(cè)量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對(duì)脈沖特點(diǎn)，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：

　　首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來(lái)確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號(hào)幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內(nèi)，所以其放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號(hào)幅度有差異，其放大倍數(shù)應(yīng)可調(diào)試。

　　其次是放大器的頻帶寬度。由于前放輸出的脈沖寬度會(huì)受有關(guān)電路影響，一般為幾個(gè)μs，因此，要求放大器的頻帶寬度為1～2MHz。

　　第三是放大器的噪聲?？紤]到來(lái)自前放的信號(hào)幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應(yīng)盡可能的小。一般地，選用低噪聲的運(yùn)算放大器組件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。

　　另外，諸如放大器的輸入阻抗、抗計(jì)數(shù)過(guò)載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等，在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)也應(yīng)予以考慮。由于α脈沖信號(hào)通過(guò)整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬，γ脈沖信號(hào)通過(guò)整形后大概有3～5個(gè)微秒的脈沖寬，所以，在選用運(yùn)算放大器時(shí)，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點(diǎn)。

　　2．2 峰值檢測(cè)電路

　　峰值檢測(cè)電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成，甄別電路的作用是檢測(cè)信號(hào)時(shí)序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時(shí)序?qū)δM開(kāi)關(guān)、ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。控制電路必須跟甄別電路的時(shí)序嚴(yán)格結(jié)合在一起，才能完成峰值檢測(cè)任務(wù)。

　　由于核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比，因此，測(cè)量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量?？梢?jiàn)，脈沖幅度測(cè)量技術(shù)在核能譜測(cè)量中是一個(gè)重要的問(wèn)題。甄別電路需要解決三個(gè)與信號(hào)相關(guān)的信息：一是超過(guò)閾值信號(hào)的信息；二是過(guò)峰時(shí)間信息，即啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息；三是ADC完成轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息。甄別電路中也存在三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，研究中要予以注意：

　　首先，由于放大器輸出的α和γ射線脈沖寬度比較窄(約1μs到5μs)，而本系統(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為10μs，所以，要對(duì)脈沖信號(hào)峰值進(jìn)行峰值展寬。采樣保持電路要求采樣速度快，以使保持時(shí)間能達(dá)到ADC采樣時(shí)間指標(biāo)。

　　其次，由于脈沖信號(hào)的隨機(jī)性，為了防止信號(hào)來(lái)的過(guò)密而引起漏計(jì)，本系統(tǒng)采用10μs轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以，從理論上分析，如果兩個(gè)信號(hào)相隔10μs內(nèi)，則會(huì)引起漏計(jì)。而由于CPU處理速度等問(wèn)題的存在，實(shí)際上，這個(gè)時(shí)間間隔可能長(zhǎng)3～10倍，即在30～100μs之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定)，甚至更多，也就是說(shuō)，實(shí)際信號(hào)出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以，可以忽略這個(gè)問(wèn)題。

　　另外，還要解決信號(hào)過(guò)密而引起的幅度信號(hào)錯(cuò)誤紀(jì)錄，而高能區(qū)的信號(hào)也可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號(hào)，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大而高能計(jì)數(shù)偏小的問(wèn)題。

　　圖2所示是甄別電路和控制電路的原理圖。甄別電路的主要功能是完成過(guò)峰檢測(cè)和去除信號(hào)噪聲，可通過(guò)設(shè)定閉值將信號(hào)中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過(guò)后，提供信息給控制電路；控制電路的主要功能是完成對(duì)A/D讀入／轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制。控制電路可由74HC74觸發(fā)器構(gòu)成。

　　甄別和控制電路具體工作過(guò)程是，先由嵌入式微處理器控制中心給控制電路發(fā)出信號(hào)，以使控制電路處于工作狀態(tài)，當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別，并在過(guò)峰值后，將峰值通過(guò)的時(shí)間信息提供給控制電路；此后由控制電路啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換完畢，再由嵌入式微處理器控制中心產(chǎn)生中斷，同時(shí)使控制電路停止工作，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；中斷完畢，再由單片機(jī)發(fā)信號(hào)使控制電路重新處于工作狀態(tài)。

　　采樣開(kāi)始時(shí)，先由ARM通過(guò)控制74HC74來(lái)啟動(dòng)A／D，然后，使U2A的RD和U2B的RD及SD端輸出高電平，控制電路處于接收信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量低于設(shè)定的閉值電壓時(shí)，U2A的CLK端為低電壓，此時(shí)，U2A的RD和SD端均為高電平，輸出端5腳保持原來(lái)的低電平不變。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量高于設(shè)定的閉壓值時(shí)，U2A的CLK端為高電壓，輸出端5腳輸出高電平，啟動(dòng)U2B。當(dāng)脈沖沒(méi)有達(dá)到峰值時(shí)，比較器U1B的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓，6端輸出低電壓，當(dāng)過(guò)峰后，6端輸出高電平，R／C輸出低電平以啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后，由ARM重新控制A／D進(jìn)行下一個(gè)脈沖信號(hào)的采集。甄別電路和控制電路的工作流程如圖3所示。

　　2．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果反饋給微控制器。多道脈沖幅度分析器主要用于快速、高精度地對(duì)輸入的核脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，并將脈沖的幅度值轉(zhuǎn)換成微控制器所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為多道脈沖幅度分析器的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能量分辨率和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)。綜合對(duì)多道脈沖幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如轉(zhuǎn)換速度，功耗，轉(zhuǎn)換精度)等考慮，本系統(tǒng)選用AD公司的AD7994，并在實(shí)際工作中采用“并道”的方法，每4道并作l道，則道寬非線性即可降低至原來(lái)的1／4。這種方法可降低由于ADC本身造成的非線性誤差。其具體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4所示。

　　2．4 ARM微控制器外圍電路設(shè)計(jì)

　　LPC2134是具有全雙工通信能力的串行外設(shè)接口芯片(SPI)。一個(gè)SPI總線可以連接多個(gè)從器件和多個(gè)主器件，但是在同一時(shí)刻，則只允許有一個(gè)主機(jī)操作總線。本系統(tǒng)利用SPI接口來(lái)擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器。Flash存儲(chǔ)器選用ATMEL公司的AT45DB041。ARM與串行Flash芯片AT45DB041的連接電路如圖5所示。

　　本系統(tǒng)中，ARM工作在主機(jī)方式。由于ARM工作在主機(jī)方式時(shí)，若SSEL引腳為低電平，則將禁止SPIO模塊工作。所以，為了系統(tǒng)可靠的工作，雖然這里該引腳未用，仍需將它通過(guò)上拉電阻接在電源上。串行Flash芯片AT45DB041的CS片選端由ARM控制。WP為寫(xiě)保護(hù)端，若使能，則存儲(chǔ)器的前256頁(yè)將不能擦除重寫(xiě)。由于本系統(tǒng)不需要此功能，因此，此腳直接接高電平。由于微處理器的存儲(chǔ)容量有限且運(yùn)算功能不強(qiáng)，故在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較復(fù)雜的處理時(shí)，往往需要借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)榇型ㄓ嵕哂兴脗鬏斁€少，適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用串口來(lái)連接計(jì)算機(jī)和微控制器。串口通信的硬件電路如圖6所示。串口信號(hào)TXD和RXD直接和LPC2134的串行口相連接。