05第五章微机化核辐射仪器

第五章:微机化核辐射仪器第一节：概述一、核辐射仪器的发展历程和整个仪器仪表的发展过程一样，我国核辐射仪器的发展也经历了三个历史时期。早期的核辐射仪器都是率表式仪器。它们以盖革计数管或闪烁晶体为探测器，配以用分立元件构成的简单放大器、整形器，最后用率表电路驱动表头的指针来指示照射量率。这类仪器包括从五十年代的YP一4M辐射仪直到七十年代的FD一71辐射仪。七十年代中期，以数字集成电路为基础的数字式核辐射仪器开始出现。它们通常以闪烁晶体为探测器，配以CMOS集成电路组成的放大器、整形器、定时控制器、计数显示器，组成数字式辐射仪。到八十年代初中期，有些辐射仪又增加了自动归一化测量及运算电路．使仪器不仅可以自动进行定时测量，显示出r辐射强度，而且还可直接显示出放射性物质的含量。这一阶段的数字式核辐射仪器主要型号有PD一3013、FD一3003、FD一3017等辐射仪。八十年代末期，随着CMOS单片微机的出现，单片机化核辐射仪器也开始出现。人们用CMOS单片微机取代了传统仪器中的定时器、控制器、运算器和计数器，并充分利用计算机的强大数据处理及存储能力使仪器具有了自检、自测参数、数据处理、数据存储以及和微机通信功能。这类智能化核辐射仪器主要有FD一3022四道能谱仪、FD一3029测井仪。如图4.1所示，单片机化放射性仪器由硬件及软件两大部分组成。图4。1单片机化核辐射仪器的组成1、软件部分单片机化核辐射仪器的软件部分由自检软件、监控软件、数据处理软件等部分构成。(1)自检软件：这种软件是一种用于自动检查仪器硬件部分是否存在故障，以及检查仪器是否能正常工作的软件。(2)监控软件：监控软件是用于人机会话、管理控制整个仪器工作的软件，它是整个系统软件的骨架。(3)数据处理软件：这部分软件用于对从探头采集来的数据进行各种处理。在单片机化放射性勘查仪器中常用的数据处理软件有平均值滤波软件、归一化软件、测模型求参数软件、解方程求含足软件、平滑、找峰、剥谱等软件。2．硬件部分单片机化放射性仪器的硬件部分由探头、主放大器、幅度分析器和单片微机系统组成其中单片微机系统又由单片微机、显示器、外接存储器、键盘、打印机、通信接口等几部分组成。单片机化放射性仪器的探头通常由辐射探测器、高压变换器、前置放大器三部分组成，它们将所接收到的环境核辐射转化为核辐射脉冲。探头的实际电路可参看图4.2。在单片机化放射性仪器中常用的辐射探测器有：主要探测αβ辐射的气体探测器(电离室、计数管)，探测γ辐射的NaI(T1)闪烁探测器、BGO闪烁探测器、蒽晶体闪烁探测器、塑料晶体闪烁探测器；探测αβ辐射的ZnS(Ag)闪烁探测器及半导体金硅面条探测器。这些探测器将所接收到的核辐射转化为核辐射脉冲。高压变换器是一种高效率的稳定度较高的DC---DC直流变换器。它把低压直流电转化为稳定的高压直流电，用以供给光电倍增管工作(600---1200v)，或供给半导体探测器工作(40---190V)。由于高压的大小直接影响输出电脉冲的幅度．所以高压变换器都带有稳压电路。由于探测器高压功耗很小，所以高压变换器为追求高效率和低功耗，设计的输出电流都很小，仅为毫安及微安级。LCD现已成为智能仪器仪表的主流显示器件,一般选用日本OPTREX公司和香港精电公司的产品。基于单片机的核能谱数据采集系统是以多道脉冲幅度分析器为核心，结合脉冲信号采集和核能谱数据处理的综合应用系统。该数据采集系统能够完成核能谱数据的获取和分析的整个过程，并有功耗低、体积小、质量轻,便于携带等适合现场操作等特点。二、方框图核能谱数据采集系统的硬件框图如图4.1所示，由探测器、线性脉冲放大器、多道脉冲幅度分析器、单片微机系统等构成。单片微机系统完成谱数据的获取和分析功能。三、工作原理（一）硬件设计1、多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器是多道数据采集系统中的核心部件，其原理结构框图如图4.2。多道脉冲幅度分析器的作用是把被测得的模拟量转换成计算机能接受的数字量，即完成对脉冲幅度的甄别。其工作过程如下：获取能谱信号(采样脉冲峰值)，ADC将脉冲幅度转换成与之成正比的数值量,再以数字量作为存储器的道址码记录脉冲数，存储于存储器中的各道计数即表征了脉冲按幅度大小的分布情况，然后再进行数据处理。2、LCD接口电路单片机与LCD有两种接口方式：直接访问方式(或称总线方式)和间接控制方式。所谓直接访问方式就是把LCD作为存储器或I/O设备直接挂在计算机的总线上。控制器的数据线接在单片机的数据总线上，片选及寄存器选择信号由单片机的地址总线提供,读和写操作由单片机的读写操作信号控制。LCD的单片机接口时序有Intel8080时序和M6800时序两种,在单片机与LCD的直接方式下接口首先考虑时序转换问题。设计中选用的主控单片机AT89C55为Intel8080时序,而SED1335接口也选用Intel8080时序的接口电路,所以无须时序转换。（二）系统软件设计1、编程语言选择在研制单片机应用系统时，汇编语言是一种常用的软件工具。它能直接操作硬件，指令的执行速度快。但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大，且难于编写与调试，可移植性也差。尤其是在数据的处理上，汇编语言在多字节数据处理、浮点数处理上有着很大的难度。在汇编中嵌入C语言，这样使得程序在多字节数据处理、浮点数处理上变得很容易。2、软件的结构层次多道数据采集软件是多道数据采集系统的一个重要组成部分,其直接面向用户,其结构如图4。3所示。各层功能如下:1)多道数据采集系统硬件层：直接和底层硬件配合,接收来自AD转换的数据，与外部RAM、PC机以及LCD进行数据交换,响应键盘的操作等。2)协议层：MPU的资源分配，与LCD和键盘的接口规范、相互通信的软协议以及数据的采集。3)应用程序层：实现谱数据的显示,各种参数的设置以及谱线的分析等功能。4)用户界面层：直观体现程序的各种功能,由用户选择任务执行响应的功能。3软件的功能多道数据采集系统软件直接与硬件接口，实现硬件驱动(软件对硬件的调度如图4所表示)，同时编制用户界面和进行谱数据处理，具体说来主要完成以下任务：①对控制电路的控制作用；②A/D转换结果的读取；③外部RAM的存取；④键盘的控制；⑤LCD的控制；⑥测量时间计时；⑦串口通信的控制；⑧界面的编制和谱数据处理。第二节：USB便携式多道γ能谱仪的设计与实现2．1USB的一般概念USB是英文UniversalSerialBUS的缩写，中文意思就是“通用串行总线”。它不但是一种新的总线标准，而且也是应用在PC领域的一种新型的接口技术。以往的电脑系统连接外围设备的接口并无统一的标准，如键盘用PS/2接口，连接打印机要用25针的并行接口，鼠标则要用串行或PS/2接口。USB则将这些不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可把所有外设连接起来，并且不会损失带宽。USB设备具有连接单一化、软件自动“侦测”以及热插拔的功能。也就是说，在电脑不关机的情况下，就可将设备连接到电脑上，或者将设备从电脑上拔下。这可以说是做到了真正的即插即用。近年来，USB技术已成为计算机领域发展最快的技术之一，并为越来越多的个人电脑使用者所接受。现在，如果想买了一台没有USB接日的电脑都很困难了。USB技术并不仅限于PC行业，现在每一个计算机硬件的生产商都在尝试在自己的平台上应用USB技术。那么什么是USB呢？最初，USB是由Compaq,DigitalEouip-Ment,IBM,Intel,Microsoft,NEC以及NorthernTelecom这7家公司共同开发的一种新的外设连接技术。这一技术将最终解决对串行设备和并行设备如何与计算机相连的争论，大大简化了计算机与外设的连接过程。1995年，通用串行总线由“通用串行总线应用论坛（USB－IF）进行了标准化。目前已有许多串行端口和串行总线技术应用于主机与外设之间的通信，但它们都有其特定的目的和缺点。而该组织的目标就是发展一种兼容低速和高速的技术，从而可以为广大用户提供一种可共享、可扩充、使用方便的串行总线。该总线应独立于主计算机系统，并在整个计算机系统结构中保持一致。为了实现上述目标，USB－IF发布了一种称为通用串行总线的串行技术规范（UniversalSerialBUS）通常所用的鼠标和调制／解调器都是连接在串口上的。但USB并不完全是一个串口，它实际上是一种串行总线。这意味着电脑上的USB接口可以连接许多设备，这些设备可以相互连接在一起，而且不同类型的设场可通过一种称为USB集线器的硬件分离开来。这些与传统的串口上只能连接一个设备是有着本质区别的。但是要想在同一条总线、上连接不同的设备并不容易实现，因为这意味着会有许多设备来共享总线上有限的带宽.对于我们所熟悉的RS－232串口通信的标准来说，其带宽就非常有限，不能用来与打印机相连。当然，也就更不可能利用它来从数码相机上下载图片了。一条RS－232串口通信电缆只能连接一个物理设备，而USB上却可以连接多达127个外设。所有这些外设都有可能与主机进行通信。USB不仅要处理好总线竞争问题，还要保证各设备的正常数据通信要求。因此，相对于RS－232而言，tEI3总线的实现机制要复杂得多。2．2USB的发展与应用在1996年，USB—IF公布了USB规范1．0，这是第一个为所有的USB产品提出设计请求的标准。1998年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上，发布了USB标准的1．1规范。而此时联盟仅有四个核心的成员公司，它们是CompAq、Intel,NEC公司。随着USB的普及与推广，USB的成员一直持续不断地增加，如今已是非常庞大的推广组织了。USB接口规范1．1中的12MBIT/S的传送速度可满足大部分的使用需求。当然，快速的2．0规范，提供更佳的传输率。USB2．0的传翰速度最高可以达到480Mbps，也即是480Mbit／s.USB2．0于2004年4月发表，新增了高速模式。USB2．0是版本更新的一大跃进，它加入了许多高速传输的特性支持。原来的预测是希望增进20倍的传输速率，实际上增进了40倍的传输速率(480Mb/S),对打印机、扫描仪、硬盘以及影像设备等，无疑是一大福音。同时，USB2．0与USB1．l兼容，它们使用相同的连接器和电缆。不过，如果要使用最新的高速传输，则必须使用与USB2．0兼容的主机与集线器。如果将较慢的外围设备连接至与USB2．0兼容的集线器上，集线器会自动转换外围设备的速率和USBl．0的速率。可在网站免费下载USB2．0规范，同时也可找到最新USB信息。其网址是http：//。在USB方式下，所有外设都在机箱外连接，不必再打开机箱，允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式，即每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接使用。通过这种类似菊花瓣式的连接（星型结构），一个USB控制器可连接多达127个外设，而每个外设间距离（线缆长度）为5m。USB能智能识别USB链上外围设备的插入或拔出，USB为PC的外设扩充提供了一个很好的解决方案。主机和USB设备之间的连接拓补结构是星型连接。USB连接器分A系列和B系列，一般USB设备利用B系列连接器与主机连接，而键盘、鼠标和扩充集线器等USB设备则利用A系列连接器与主机实现连接。主机与要求全速传输的USB设备连接时。可利用HUB级联方式延长连接距离，但最多允许5个HUB级联，最长扩展连接距离不得超过30m。对一般外设而言，USB有足够的带宽和连接距离来支持它。USB允许3种数据传输速率，低速传输为1。5Mb/S，全速传输为12Mb/S，而高速传输为480Mb／S和其连接采用4芯电缆（电源线2条和信号线2条）。USB能支持高速接口，如ISDN、PRI和TI，使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用。USB技术正在不断地发展和完善，因而支持USB技术的外设也在不断地涌现，如USB键盘、