基于嵌入式系統(tǒng)的能譜型核測井儀器

1    引言
      民用非動力核技術(shù)是國家鼓勵發(fā)展的高新技術(shù)，其中核測井技術(shù)是隨著當代科技的發(fā)展以及它在石油、煤炭、鈾礦等地質(zhì)礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域的應用而迅速發(fā)展起來的尖端測井技術(shù)之一。目前， 適用于鈾礦核測井的國產(chǎn)儀器較少， 主要有成都理工大學研制的HFC-1 型γ 能譜測井儀器、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制的HD-4002 型綜合測井儀等。這些儀器多數(shù)采用筆記本電腦為測井儀器系統(tǒng)的控制核心，為了能夠更好適應野外測量工作的復雜環(huán)境，便于野外攜帶使用，本文將采用基于32 位處理器ARM 的嵌入式系統(tǒng)為測井儀系統(tǒng)的控制核心，并在此基礎上開發(fā)相應的軟硬件。
2    能譜型核測井儀的理論基礎 
      眾所周知，地殼的巖石和土壤中都有一定數(shù)量的放射性元素存在著，他們能夠自發(fā)地放出放射性射線。在自然界中，這些放射性射線主要來自鈾 -238 系列、釷-232 系列和鉀-40 系列等天然放射性元素。這些放射性元素有著各不相同的γ 射線特征譜峰，如鈾、釷、鉀的特征譜峰分別為 1.76 MeV、2.62 MeV、1.47 MeV，因此可以根據(jù)測量所得的能譜數(shù)據(jù)，判定測量點位置的放射性元素成分，即進行放射性元素的定性分析。同時，放射性元素的含量與它的γ 射線強度成正比，因此只要計算出放射性元素的γ 射線強度，就可以得出相應的放射性元素含量，放射性元素定量解釋方法主要有平均含量法、傳統(tǒng)剝譜法與逐點剝譜反褶積解釋法等。
      能譜型核測井方法是通過研究天然產(chǎn)生或人工激發(fā)的放射性射線譜沿井軸的分布特點而確定該地層中的某些元素成分和含量的一種無損檢測方法。能譜型核測井儀就是使用能譜型核測井方法在野外現(xiàn)場測量伽瑪射線能量譜，分析鈾、釷、鉀等放射性元素的性質(zhì)和含量的一種儀器。
3    核測井儀的總體方案設計
      能譜型核測井儀必須滿足體積小、性能穩(wěn)定、功能強、靈敏度高、便于野外攜帶使用等需求。針對這些需求，對能譜型核測井儀提出以下的設計方案：
3.1 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)設計方案  
      數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)主要由井下探管、自動絞車、能譜采集電路組成。
      井下探管主要包括核輻射探測器、前置放大器、探管外殼、電源等。目前國內(nèi)外的核輻射探測器主要有閃爍體探測器（如NaI（T1）無機晶體閃爍器）、半導體探測器（如高純鍺HPGe 半導體探測器、碲鋅鎘CdZnTe 半導體探測器）等。室溫碲鋅鎘（CZT）半導體核輻射探測器是繼閃爍體探測器之后發(fā)展起來的一類新型先進的探測器,室溫半導體核輻射探測器被認為是一種理想的探測器,它既具有低溫半導體探測器的能量分辨率好,又具有閃爍晶體探測器的探測效率高,同時還具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點，因此選擇碲鋅鎘（CZT）半導體核輻射探測器為能譜型核測井儀的探測器。探管外殼用不銹鋼材料制作，同時做好防水密封性能，能滿足在測井的高溫高壓條件下正常工作。
      自動絞車負責控制井下探管的運動，實現(xiàn)探管在測井中進行逐點測量方式或連續(xù)測量方式的移動功能，并向嵌入式系統(tǒng)控制核心傳送井下探管的深度值。
      能譜采集電路實現(xiàn)對碲鋅鎘（CZT）探測器輸出的電脈沖信號線性放大、調(diào)整與去除信號噪聲，并將測量脈沖信號的范圍平均分成多個脈沖幅度間隔，然后統(tǒng)計處理后的脈沖信號在各個脈沖幅度間隔的個數(shù)，以便形成各個脈沖幅度的計數(shù)分布曲線。能譜采集電路主要由線性放大器、過峰檢測電路、峰值保持電路、觸發(fā)ARM920T處理器S3C2410A內(nèi)置A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等組成。其電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
 

3.2    嵌入式系統(tǒng)在能譜型核測井儀中的應用
3.2.1    嵌入式硬件系統(tǒng)
      能譜型核測井儀系統(tǒng)的控制核心ARM920T處理器S3C2410A是一款高端的32 位低功耗RISC微處理器，具有最高工作頻率 203MHZ、獨立的16KB 指令Cache與16KB數(shù)據(jù)Cache。存儲系統(tǒng)采用2MB的NOR Flash、128MB 的 NAND FLASH 與64MB 的SDRAM 相結(jié)合，作為程序運行和數(shù)據(jù)存儲空間。并設計了各種相應的外圍接口，主要包括LCD接口、SPI鍵盤接口、USB 接口、以太網(wǎng)接口、RS232 接口與多道分析器MCA 接口等。采用5.4 英寸的LCD 真彩顯示屏，因S3C2410A 內(nèi)部已集成了 LCD 控制器，所以可以很方便地控制各種類型的LCD 顯示屏。
3.2.2   嵌入式軟件系統(tǒng)
      在核測井儀硬件平臺上編寫B(tài)ootloader 引導程序，用于初始化目標板硬件，給操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，并進一步裝載、引導嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。因U-Boot 具有廣泛的通用性，選擇U-Boot 在該硬件平臺上進行移植，F(xiàn)lash 驅(qū)動程序與SDRAM 驅(qū)動程序的移植是U-Boot 成功移植的關(guān)鍵。
      嵌入式Linux 支持多種體系結(jié)構(gòu)，有強大的網(wǎng)絡功能支持，支持多文件系統(tǒng)，有豐富的外設驅(qū)動，此外Linux 還具備一整套工具鏈，使用戶容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、交叉運行環(huán)境。在相應的硬件平臺上裁剪與移植Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核， 并移植基于Linux的YAFFS嵌入式文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)采用YAFFS文件系統(tǒng)，具有速度快、占用內(nèi)存少等特點，自帶NAND 芯片驅(qū)動，YAFFS 是專門為NAND 閃存設計的日志結(jié)構(gòu)嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設備。
3.2.3    基于MiniGUI 的監(jiān)控終端設計
      MiniGUI 是一個面向?qū)崟r嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形用戶界面支持系統(tǒng)，廣泛應用于手持信息終端、機頂盒、工業(yè)控制系統(tǒng)及工業(yè)儀表、便攜式多媒體播放機、查詢終端等產(chǎn)品和領(lǐng)域。能譜型核測井儀的監(jiān)控終端基于MiniGUI 圖形界面開發(fā)庫編寫，實現(xiàn)了能譜數(shù)據(jù)的采集、能譜曲線的顯示、數(shù)據(jù)文件的管理、能譜數(shù)據(jù)的分析等功能。能譜型核測井儀的監(jiān)控終端基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3    結(jié)束語
  本文瞄準國內(nèi)外核測井儀的發(fā)展趨勢，結(jié)合便攜式儀器現(xiàn)場工作的特點以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點，以高端ARM920T處理器S3C2410A為核心，并在其上移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)、YAFFS文件系統(tǒng)、MiniGUI 圖形界面開發(fā)庫、編寫了Bootloader 系統(tǒng)引導代碼、編寫了設備驅(qū)動程序、編寫基于Linux 操作系統(tǒng)和MiniGUI 的測井儀監(jiān)控終端軟件。
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