使用單片機(jī)改造老式測量儀表

       概述

       在核污染的環(huán)境評測中，最常用的儀表是X、γ 輻射空氣吸收劑量率儀。

       在這類儀表中，使用的測量原理主要有以下兩種：一種方法是使用脈沖計(jì)數(shù)的方法，在這類方法中使用光電倍增管或使用計(jì)數(shù)管對核輻射脈沖計(jì)數(shù)，通過計(jì)數(shù)量的多少反映核輻射劑量的大小。另一種方法是將測量的輻射脈沖進(jìn)行積分、放大后顯示輸出。在后一種方法中，由于綜合考慮了反映核輻射能量脈沖的數(shù)量和幅值，所以較好地反映了核輻射的劑量和劑量率。這類儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如（圖一）所示。  

圖一 
       存在的問題

       在廠家多年生產(chǎn)這種類型儀表的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)使用該方法生產(chǎn)的儀表，存在以下的問題： 

       [1] 在積分放大電路中由于積分常數(shù)較大，而且電容的品質(zhì)對儀表參數(shù)影響甚大，因此為了得到較穩(wěn)定的積分電路性能，電容的容量不能用的太大，所以在輸入積分電路中只能用提高電阻的阻值的方法來增加積分常數(shù)。這時(shí)，電阻的阻值將高達(dá)1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應(yīng)用大大地提高了儀表生產(chǎn)的工藝難度和使用時(shí)受環(huán)境影響的程度。 

       [2] 作為影響儀表性能的關(guān)鍵探測部件-探頭中，使用的主要傳感部件為光電倍增管。它的性能參數(shù)大大地影響整個(gè)儀器的性能。在影響探頭的諸多參數(shù)中，起關(guān)鍵作用的參數(shù)為光電倍增管的暗流和蘭光靈敏度。若光電倍增管的暗流過大，將會(huì)使儀器的本底降不下來，從而使成為不合格產(chǎn)品。若光電倍增管的蘭光靈敏度太低，勢必要提高電路的放大倍數(shù)。這時(shí)若設(shè)計(jì)的放大器倍數(shù)過大，將會(huì)產(chǎn)生兩種后果：a）過大的放大倍數(shù)，將影響放大器的穩(wěn)定性。b)使用電路設(shè)計(jì)上的限制，有時(shí)電路的放大倍數(shù)難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 

       [3] 在儀器的構(gòu)成的諸多元素中，光電倍增管、儀器中的放大電路等都會(huì)在溫度變化的影響下產(chǎn)生參數(shù)的變化，使儀表產(chǎn)生一定的溫度漂移，從而使儀表在溫度變化的影響下，產(chǎn)生精度上的變化。這一點(diǎn)雖然在電路設(shè)計(jì)中加入了復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，但是，由于影響因素的多樣性和非線性，使一般的電路補(bǔ)償方式難以達(dá)到理想的效果。 

       解決方案

       根據(jù)以上存在的問題以及對儀表性能提高的要求，在對原有儀表進(jìn)行較仔細(xì)地分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前儀表設(shè)計(jì)、改進(jìn)的潮流方向以及單片機(jī)系統(tǒng)在儀表中的廣泛應(yīng)用。我們對儀表在設(shè)計(jì)理念和方法上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新。使用德州儀器公司的MPS430F133單片機(jī)對儀表電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。引入了模擬 + 數(shù)字放大技術(shù)；數(shù)字本底調(diào)整技術(shù)和溫度數(shù)字校正技術(shù)。應(yīng)用上述原理設(shè)計(jì)出的儀器經(jīng)廠家生產(chǎn)和用戶試用，基本上達(dá)到了生產(chǎn)工藝簡單，使用性能穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目的。

       整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述如下： 

        一. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 

       在考慮應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)儀表系統(tǒng)時(shí)，必須解決好以下幾個(gè)方面的問題：

       （1）傳感器信號(hào)的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號(hào)的輸入、調(diào)理和放大的功能。同時(shí)在電路的設(shè)計(jì)中還要兼顧放大倍數(shù)與放大器的穩(wěn)定性這兩方面的問題。

       （2）信號(hào)的變換，為了能將信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。

       （3）數(shù)字放大和本底調(diào)整控制電路，在這一部分的電路設(shè)計(jì)中，考慮到原有儀表的結(jié)構(gòu)和用戶使用中的一般習(xí)慣，在這一部分的調(diào)整中仍然采用了使用電位器的模擬調(diào)整技術(shù)，只不過是將調(diào)整的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)字校正處理。

       （4）顯示輸出電路，根據(jù)用戶要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號(hào)必須為模擬信號(hào)，所以這里采用了數(shù)字PWM輸出技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)輸出。整個(gè)儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如（圖二）所示。由上述電路系統(tǒng)圖可以看出，在整個(gè)電路在對信號(hào)的處理過程中，需要完成A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字處理和模擬輸出這幾個(gè)環(huán)節(jié)。為了使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到較高的水平，希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的選型上，采用美國的TI公司生產(chǎn)的MSP430F133單片機(jī)。  

            
 圖二 

       二. MSP430F133單片機(jī)選型依據(jù) 

       MSP430F133系列單片機(jī)是德州儀器公司生產(chǎn)的一組具有超低功耗的、具有16位RISC結(jié)構(gòu)，16位CPU寄存器和常數(shù)寄存器的微控制器。而MSP430F133是這個(gè)系列中的一款帶有8KB Flash Memory、256B RAM；有12位的帶有內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動(dòng)掃描功能的A/D轉(zhuǎn)換器，以及硬件中的PWM輸出端口。

       它的超低功耗設(shè)計(jì)（僅微安級工作電流）正好滿足了便攜式儀器使用電池供電的特點(diǎn)。它所具有的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度較高和速度快的特點(diǎn)，基本上滿足了實(shí)時(shí)采樣的要求。它所具有的16位PWM輸出端口使輸出表頭的指示更加平滑穩(wěn)定。另外它內(nèi)部所帶有的硬件乘法器使單片機(jī)的運(yùn)算性能大大的加強(qiáng)。滿足了數(shù)字儀器復(fù)雜、快速運(yùn)算的要求。另外使用在單片機(jī)內(nèi)部嵌入的溫度傳感器，我們可以根據(jù)它測出的環(huán)境溫度和系統(tǒng)的溫度特性，對整個(gè)儀器系統(tǒng)進(jìn)行精確的溫度數(shù)字校正，使系統(tǒng)在環(huán)境溫度產(chǎn)生較大變化時(shí)仍能可靠、穩(wěn)定地工作。 

       三. 硬件實(shí)現(xiàn)方案 

       根據(jù)MSP430F133單片機(jī)所具有的系統(tǒng)資源和儀表系統(tǒng)的要求，作為傳感器的測量信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)放大后即可送入片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器。另外，作為本底放大倍數(shù)的電位器調(diào)整信號(hào)經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后也送入了片內(nèi)的A/D。一般來說，片內(nèi)的A/D為12位?；旧夏茌^準(zhǔn)確的反映了外部信號(hào)的變化。但是由于本儀表測量數(shù)值的變化范圍為0~10000個(gè)單位，這時(shí)，僅使用片內(nèi)的12位A/D所反映的信號(hào)變化范圍最大為0~4096個(gè)單位。這樣，在低量程上反映出來的測量信號(hào)就顯得分辨率不夠。如果兼顧了分辨率，就會(huì)使儀器的測量范圍達(dá)不到要求。因此，在片內(nèi)A/D數(shù)位不能提高的情況下，在硬件設(shè)計(jì)上采用了分段放大轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方法，即把輸入的信號(hào)放大不同的倍數(shù)根據(jù)不同的量程分別輸入單片機(jī)內(nèi)A/D不同的端口。

        在測量小信號(hào)時(shí)，使用大倍數(shù)的放大器輸出信號(hào)輸入A/D端口，以達(dá)到小信號(hào)較高的分辨率。而在測量大信號(hào)時(shí)，小信號(hào)的輸入端口輸入的數(shù)據(jù)已達(dá)到滿幅度，這時(shí)儀表將使用大信號(hào)輸入端口，以達(dá)到大信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。較好的解決了片內(nèi)A/D位數(shù)不足的矛盾。在輸出設(shè)計(jì)上，直接采用了數(shù)字信號(hào)的PWM輸出，即通過單片機(jī)的PWM端口輸出信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)貫V波后，送指針儀表顯示，完成了D/A轉(zhuǎn)換輸出的功能。 

       四. 軟件結(jié)構(gòu)及功能 

       作為使用微處理器的智能系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在本文所述的測量儀表中，同樣需要設(shè)計(jì)與硬件相匹配的軟件系統(tǒng)才能使儀表完成所設(shè)計(jì)的功能。根據(jù)儀表性能要求，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面的問題： 

       A 由于該儀表傳感器測量的核輻射信號(hào)是由閃爍體轉(zhuǎn)化而來的光脈沖信號(hào)，根據(jù)核物理理論得知，核輻射量的大小與這些脈沖信號(hào)的積分值相關(guān)。因此，在探頭將測得的脈沖信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，所得的數(shù)字信號(hào)同樣也為一組與核輻射量成正比例的脈沖信號(hào)。為了準(zhǔn)確地反映信號(hào)的大小，系統(tǒng)軟件應(yīng)將這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字積分。同時(shí)，為了在指針式表頭上穩(wěn)定的顯示測量值，還要對積分所得的值進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臑V波，以避免由于指針示值不穩(wěn)定而影響讀數(shù)。 

       B 作為測量儀表，為了能準(zhǔn)確地讀數(shù)，在儀表生產(chǎn)→老化等工藝完成后還必須進(jìn)行標(biāo)定。對本儀表的標(biāo)定，就是調(diào)整儀表的零點(diǎn)和放大倍數(shù)。使它的顯示值與測   
量值相吻合。在本儀表的設(shè)計(jì)中，雖然也是采用了電位器標(biāo)定調(diào)整的方法，但是這兩個(gè)電位器與儀器的輸入放大電路無關(guān)，這樣就可以最大可能的避免由于電位器引線過長而對儀表放大器的影響，提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性。為了達(dá)到調(diào)整的目的，我們是將這兩個(gè)電位器接在穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源上，通過將電位器中心抽頭調(diào)整的電壓值轉(zhuǎn)變位數(shù)字信號(hào)的方法，再使用如下公式來對輸入信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。 

       Sout = Amp * Sin + Zero式中：Sout - 經(jīng)標(biāo)定校正后的顯示信號(hào)值；Sin - A/D轉(zhuǎn)換后的測量輸入信號(hào)值；Amp - 放大倍數(shù)調(diào)整電位器中心抽頭電壓的A/D轉(zhuǎn)換值；Zero - 零點(diǎn)調(diào)整電位器中心抽頭電壓的A/D轉(zhuǎn)換值；這樣，在標(biāo)定時(shí)只需調(diào)整這兩個(gè)電位器即可達(dá)到數(shù)字標(biāo)定的目的。 

       C 作為提高儀表系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要措施，就是對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由于受溫度影響的因素較多，所以難以總結(jié)出一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描述儀器的讀數(shù) - 溫度的特性。因此，在這里使用試驗(yàn)的方法找出系統(tǒng)的溫度特性曲線。對于這樣一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可以使用輸入校正表格 - 分段插值的方法進(jìn)行校正。用過輸入合理設(shè)計(jì)的表格和運(yùn)用正確插值方法，在MPS430F133單片機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能的支持下，使系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償做的更加準(zhǔn)確合理。 

       D 在儀器的顯示部分由于使用了指針式表頭，在測量值出現(xiàn)突變或者測量值超過測量范圍時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)表針劇烈擺動(dòng)甚至出現(xiàn)打針的現(xiàn)象。雖然我們在設(shè)計(jì)輸出時(shí)，對每一檔輸出的最大值都給予了限定，但如不采取措施仍會(huì)在測量值突變時(shí)出現(xiàn)打針現(xiàn)象和表針劇烈擺動(dòng)現(xiàn)象。因此在輸出軟件設(shè)計(jì)上，當(dāng)輸出值變化時(shí)，表針的運(yùn)動(dòng)中加入了適當(dāng)?shù)能涀枘?。?shí)現(xiàn)阻尼的算法框圖見（圖三）。這種算法具有較好的平滑性能，使用這樣的算法，即使在指針的指示值變化較大時(shí)也能夠既快又平穩(wěn)地到達(dá)新的測量值。顯示出了良好的阻尼性能。



       結(jié)束語

       本文所述的通過采用16位單片機(jī)，采用模擬 - 數(shù)字系統(tǒng)相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的測量儀表，可以較大幅度的改善和提高儀表的性能和穩(wěn)定性。簡化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本。目前所完成的設(shè)計(jì)，僅是在實(shí)現(xiàn)原有功能的基礎(chǔ)上做了一點(diǎn)工作，對儀器的智能化還有待于進(jìn)一步挖掘。我們相信，經(jīng)過進(jìn)一步的工作，在儀表的自控、自標(biāo)定、自動(dòng)測量等方面都會(huì)有更大的改進(jìn)。那時(shí)，不但儀表性能又進(jìn)一步的提高，而且在使用上也會(huì)更加簡單、方便。 

      參考文獻(xiàn)：
      1、濱松光子株式會(huì)社，光電倍增管 - 基礎(chǔ)及其應(yīng)用，1995.8 
     2、戴光曦，實(shí)驗(yàn)原子核物理學(xué) 北京原子能出版社，1995.6 
     3、繆家鼎等，光電技術(shù) 杭州浙江大學(xué)出版社， 1995.3 
     4、TI Company MSP430X13X, MSP430X140X, MIXED SINGNAL MICROCONTROLLER JULY-2000