基于STM32F的便攜式核譜儀的研制

現(xiàn)代核譜測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x器集成度較高，但是成本和功耗也相對(duì)較高，已滿足不了現(xiàn)代野外核輻射探測(cè)的需求。筆者所設(shè)計(jì)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(duì)γ 射線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理后通過(guò)液晶顯示模塊對(duì)譜線進(jìn)行顯示; 同時(shí)也可將測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中，用于電腦更加精確地離線分析( 利用設(shè)計(jì)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(chǎng)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(cè)量?jī)x器相比，該設(shè)計(jì)不僅集成度和工作時(shí)間顯著提高，而且成本和功耗也明顯降低，更適合野外探測(cè)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)核譜儀的硬件系統(tǒng)由探測(cè)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(chǔ)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(jì)

核輻射測(cè)量中，探測(cè)器輸出的信號(hào)比較小，需要加以放大再進(jìn)行測(cè)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(jiǎn)單。前置放大器的體積小，緊靠探測(cè)器并與探測(cè)器構(gòu)成一個(gè)整體，稱(chēng)為探頭。

主放電路的主要作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行放大成形，以方便后續(xù)測(cè)量。經(jīng)前置放大的信號(hào)首先通過(guò)C1-R3 組成的微分電路成形，然后通過(guò)一個(gè)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(guò)有源積分濾波器將信號(hào)進(jìn)一步放大成形，這時(shí)的信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，它有16 個(gè)輸入通道，采樣頻率為1MHz，有單信號(hào)及掃描等幾種模式，筆者采用單信號(hào)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(jì)

設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)由各種外界條件引起的測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)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(jì)
核譜數(shù)據(jù)處理程序在keil 編譯環(huán)境下編寫(xiě)，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(shí)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)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(duì)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(jì)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(duì)稱(chēng)零面積法，計(jì)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(gè)n 次多項(xiàng)式與W = 2m + 1 個(gè)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(duì)稱(chēng)零面積法的思想是對(duì)稱(chēng)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(duì)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(cè)試
系統(tǒng)中的探測(cè)器用的是閃爍體探測(cè)器，雖然閃爍探測(cè)器的能量分辨率比不上半導(dǎo)體探測(cè)器，但具有探測(cè)效率較高及靈敏體積大等特點(diǎn)，并且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。用NaI( Tl) 晶體50mm ×50mm 做測(cè)試，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(guò)處理后的譜線很光滑，峰位清晰，并且在圖形下方還可看見(jiàn)對(duì)應(yīng)峰位的峰值，以便對(duì)其進(jìn)行定性分析。

4 結(jié)束語(yǔ)
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(duì)所測(cè)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(chǎng)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理是該系統(tǒng)存在的一個(gè)缺陷。

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