基于STM32F的便攜式核譜儀的研制

現(xiàn)代核譜測量儀器的發(fā)展逐漸趨于便攜化、小型化和智能化。雖然之前的便攜式核譜測量儀器集成度較高，但是成本和功耗也相對較高，已滿足不了現(xiàn)代野外核輻射探測的需求。筆者所設(shè)計的便攜式多道核譜儀采用STM32F103 作為控制器，利用控制器自身攜帶的ADC 采樣，對γ 射線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理后通過液晶顯示模塊對譜線進(jìn)行顯示; 同時也可將測量的數(shù)據(jù)存儲在存儲卡中，用于電腦更加精確地離線分析( 利用設(shè)計的核譜處理軟件) ，以彌補(bǔ)野外分析不足的缺陷。由于系統(tǒng)大部分的電路集成在控制器中，外圍電路很少，并且采用了市場上高性能、低成本、低功耗的32 位處理器，因此與其他嵌入式核譜測量儀器相比，該設(shè)計不僅集成度和工作時間顯著提高，而且成本和功耗也明顯降低，更適合野外探測。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計*

整個核譜儀的硬件系統(tǒng)由探測器及放大電路模塊、高速數(shù)據(jù)采集和處理模塊、程控運(yùn)放模塊、存儲和顯示模塊組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1. 1 放大電路的設(shè)計

核輻射測量中，探測器輸出的信號比較小，需要加以放大再進(jìn)行測量，而放大器分為前置放大和主放兩部分。前置放大電路的主要作用是提高系統(tǒng)的信噪比和減少外界干擾，因此比較簡單。前置放大器的體積小，緊靠探測器并與探測器構(gòu)成一個整體，稱為探頭。

主放電路的主要作用是對信號進(jìn)一步進(jìn)行放大成形，以方便后續(xù)測量。經(jīng)前置放大的信號首先通過C1-R3 組成的微分電路成形，然后通過一個反相線性放大節(jié)進(jìn)行線性放大，利用C3-R5-R6極零相消電路消除下沖，然后經(jīng)過有源積分濾波器將信號進(jìn)一步放大成形，這時的信號就可用于后續(xù)工作中。主電路如圖2 所示。

圖2 主電路

1. 2 高速數(shù)據(jù)采集

利用芯片自身攜帶的12 位ADC 對信號進(jìn)行采樣，它有16 個輸入通道，采樣頻率為1MHz，有單信號及掃描等幾種模式，筆者采用單信號輸入模式。高速數(shù)據(jù)采集電路如圖3 所示。

圖3 高速數(shù)據(jù)采集電路

1. 3 穩(wěn)譜電路設(shè)計

設(shè)計了由單片機(jī)自身攜帶的DAC 所組成的程控運(yùn)放，目的是為了讓系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)由各種外界條件引起的測量數(shù)據(jù)的偏差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。程控運(yùn)放電路如圖4 所示。

圖4 程控運(yùn)放電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

核譜數(shù)據(jù)處理程序在keil 編譯環(huán)境下編寫，可以完成基本的核譜分析: 譜線顯示、尋峰及元素的定性分析等。軟件程序流程如圖5 所示，控制器在收集數(shù)據(jù)的同時對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過顯示模塊顯示。

圖5 軟件程序流程

在系統(tǒng)工作前首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，下面給出了A/D、D/A、SPI 的初始化程序。其中ADC 選用ADC1 的通道0，獨(dú)立連續(xù)轉(zhuǎn)化模式，用于傳輸數(shù)據(jù)到SD 卡的SPI 總線采用八位數(shù)據(jù)傳輸模式，代碼為:

譜線處理包括譜光滑、尋峰及計算峰面積等幾方面的內(nèi)容。其中譜光滑采用了多項(xiàng)式最小二乘擬合法，尋峰采用了對稱零面積法，計算峰面積采用了線性本底法。最小二乘擬合的基本思想就是用一個n 次多項(xiàng)式與W = 2m + 1 個譜數(shù)據(jù)點(diǎn)逐次分段進(jìn)行擬合，以達(dá)到光滑的目的。設(shè)在譜數(shù)據(jù)中取2m + 1

對稱零面積法的思想是對稱的面積為零的“窗”函數(shù)與實(shí)驗(yàn)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行褶積變換，對線性基底的褶積變換將為零，只有存在峰的地方不為零。這樣就可以準(zhǔn)確找出峰位所在。程序?yàn)?

3 實(shí)際測試

系統(tǒng)中的探測器用的是閃爍體探測器，雖然閃爍探測器的能量分辨率比不上半導(dǎo)體探測器，但具有探測效率較高及靈敏體積大等特點(diǎn)，并且對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。用NaI( Tl) 晶體50mm ×50mm 做測試，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過核譜數(shù)據(jù)處理軟件處理后如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理效果

由圖6 可以看出，經(jīng)過處理后的譜線很光滑，峰位清晰，并且在圖形下方還可看見對應(yīng)峰位的峰值，以便對其進(jìn)行定性分析。

4 結(jié)束語

基于STM32F103 處理器的γ 能譜儀將便攜式核譜儀的功耗降到最低，并且最大限度地降低了成本。而VB 編程的離線核譜處理軟件，可以對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，使儀器的整體性能得到了提高。但系統(tǒng)不能現(xiàn)場對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理是該系統(tǒng)存在的一個缺陷。