摘要：文中介紹了一種基于STM32微處理器的γ能譜儀的研制。該儀器由主探測器、主控電路，GPS模塊，SD卡存儲模塊，USB接口電路構(gòu)成。是一種集輻射強(qiáng)度檢測、輻射源地理位置定位，數(shù)據(jù)存儲，USB傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的監(jiān)測系統(tǒng)，大大豐富并提高了能譜儀的性能。

隨著對天然輻射場中低能量γ譜學(xué)及其應(yīng)用的深入研究，γ能譜儀不僅在固體礦產(chǎn)勘探、油氣普查、水文和工程地質(zhì)調(diào)查等工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究方面，甚至在民用的環(huán)境輻射場調(diào)查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測方面，都得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用場合的復(fù)雜多樣化對核輻射測量儀器提出新的需求。傳統(tǒng)的核輻射測量儀器常采用探頭與主控儀器分離的方式，而且主控儀器通常采用32位ARM7處理器甚至8位單片機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集常采用速度較低的ADC芯片。硬件電路復(fù)雜、體積大、集成度低、功能單一。近年ARM公司Cortex—M系列ARM核的推出將微控制器的性能提高到一個嶄新的高度，同時功耗與成本大大降低。本文介紹一種主要基于最新Cortex—M3核的STM32微處理器，利用NaI探測器，融合無線通信，位置定位功能、具備大容量SD卡文件數(shù)據(jù)存儲、USB傳輸接口的γ能譜儀設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本能譜儀是以意法半導(dǎo)體出品的STM32芯片為主控制器，搭配NAI探測器及外圍電路構(gòu)建的硬件平臺;以嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uCosII2.9.0為軟件平臺，進(jìn)行驅(qū)動開發(fā)，應(yīng)用程序管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電源部分采用鋰電池組供電，經(jīng)過電源管理模塊產(chǎn)生探頭所需高壓外，還需提供信號調(diào)理，控制回路所需工作電源;主控制器部分采集GPS模塊定位數(shù)據(jù)，實(shí)時時鐘模塊時間數(shù)據(jù)，加入到輻射測量數(shù)據(jù)中作為數(shù)據(jù)標(biāo)志;同時將測量結(jié)果顯示在TFT液晶屏上，或者通過USB電路傳送至上位機(jī);在主控制作用下，系統(tǒng)定時會將測量數(shù)據(jù)保存至SD卡，存儲數(shù)據(jù)以備回查。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，主控制器回路，前置放大及脈沖成型電路、甄別電路及GPS電路是本能譜儀重點(diǎn)改進(jìn)之處。譜儀硬件組成如圖2所示。

2.1 主控制器STM32

為了充分發(fā)揮Cortex—M3核特點(diǎn)，降低能譜儀功耗的同時提升系統(tǒng)處理速度和其他性能，系統(tǒng)采用STM32系列32 Bit微控制器，芯片型號為STM32F103ZETT6。該芯片工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，64K的SRAM和512K的Flash，具備豐富的增強(qiáng)IO端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。器件包含兩個12 bit的ADC，3個通用16 Bit定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個I2C和SHI，5個USART，1個USB和CAN。工作電壓為常見的3.3V。該芯片專門設(shè)計(jì)于集高性能、低功耗、實(shí)時應(yīng)用、具有競爭價格與一體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域需求。

2.2 前置放大及脈沖放大成形電路

為了滿足現(xiàn)場工作靈敏的脈沖放大器要求，選用φ75x75 mm NaI(TI)探測器，能量分辨率一般可達(dá)到8%(銫137源)。探測器工作后經(jīng)光電倍增管產(chǎn)生的信號首先通過前置放大器和主放大器調(diào)理，用于對探測器輸出信號的幅度放大和脈沖成形。前置放大器由高速、低漂移、寬頻帶集成運(yùn)算放大器AD844構(gòu)成的電壓跟隨器，主放大器包括極零相消電路、可調(diào)主放大器、有源積分濾波電路。主放大器由AD8066配套周圍電路組成如圖3所示。

圖4為積分濾波成形電路。前一級是二階有源積分濾波成形電路。隨后緊跟一級無源RC積分電路。核脈沖信號經(jīng)過積分濾波成形電路后，就可以得到頂部較圓，信噪比較高的高斯型波形信號，方便后續(xù)電路處理。

2.3 甄別電路

脈沖整形后信號通過峰值檢測及相應(yīng)控制電路，然后送入主控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。為消除高能或低能噪聲對測量的干擾，對脈沖幅度需采用幅度甄別器來對信號進(jìn)行甄別，只允許一定幅度的脈沖通過，供后繼電路采集。此部分電路采用LM339電壓比較器，其輸入阻抗高，開環(huán)增益大，電壓上升速率快，恢復(fù)時間短，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4 GPS電路、實(shí)時時鐘電路及SD卡存儲電路

傳統(tǒng)譜儀僅實(shí)現(xiàn)輻射強(qiáng)度實(shí)時測量，對測量點(diǎn)具體位置及測量具體時間無法記錄，也無法實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲，以提供歷史數(shù)據(jù)回查功能。為了克服以上缺點(diǎn)，本能譜儀進(jìn)行了改進(jìn)。

為了實(shí)現(xiàn)輻射源實(shí)時位置的監(jiān)測，系統(tǒng)需要配置定位設(shè)備，由于輻射源的適用場合主要是室內(nèi)，而普通的GPS在室內(nèi)無信號，無法滿足實(shí)際應(yīng)用需要，本系統(tǒng)選用GPS和CDMA移動通信雙重定位技術(shù)的GPS-one模塊來實(shí)現(xiàn)輻射源的實(shí)時定位，GPS-one是美國高通公司開發(fā)的基于CDMA

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定位技術(shù)，采用Client/Server方式。他將無線輔助A—GPS和高級前向鏈路AFLT三角定位這兩種定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性和較高定位速度。在A—GPS定位技術(shù)無法使用的環(huán)境中，會自動采用AFLT三角定位技術(shù)，從而確保定位的成功率和準(zhǔn)確度。本譜儀使用的GPS-one模塊具體型號為DTGS8—8000 DTGS8—800模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，可通過TTL—RS232轉(zhuǎn)換器與STM32連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令驅(qū)動模塊工作。

輻射強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)的存儲物理介質(zhì)為高密度SD卡，利用STM32內(nèi)部集成的SDIO接口擴(kuò)展的micro—SD卡作為數(shù)據(jù)存儲;實(shí)時時鐘電路采用DS1337日歷芯片，利用STM32內(nèi)部集成的串行IIC總線接口與之連接。上述設(shè)備連接方式簡單，通信可靠，大大降低了系統(tǒng)尺寸，提高了穩(wěn)定性。

2.5 其他外圍電路

經(jīng)過外圍電路調(diào)理過的核輻射脈沖信號通過STM32內(nèi)置的高速ADC進(jìn)行測量，STM32F103ZET擁有兩個12bit的ADC，其VREF+，VREF-為基準(zhǔn)電壓輸入引腳。基準(zhǔn)電壓輸出電路采用REF3233，為系統(tǒng)提供精密3.3 V參考電壓，保障數(shù)據(jù)采集精確。

利用STM32內(nèi)置全速USB2.0接口，配合若干電阻電容，擴(kuò)展USB接口，作為上位PC機(jī)與譜儀通訊使用。上述部分具體連接電路在此不予贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)處理、LCD實(shí)時顯示、鍵盤掃描、SD卡數(shù)據(jù)讀寫、GPS位置定位數(shù)據(jù)處理、處理USB數(shù)據(jù)傳輸和消息處理一共7個任務(wù)。由于核信號的隨機(jī)性和峰值信號的時間間隔不可預(yù)料性。輻射強(qiáng)度測量重要數(shù)據(jù)處理，采用DMA中斷方式，保證采集數(shù)據(jù)能夠快速得到處理。

各個任務(wù)利用uCosII提供的消息隊(duì)列機(jī)制循環(huán)處理上位機(jī)命令和鍵盤命令。消息任務(wù)中設(shè)置消息處理函數(shù)，根據(jù)命令不同，通知數(shù)據(jù)處理任務(wù)處理數(shù)據(jù)，通知SD卡任務(wù)備份數(shù)據(jù)，以及將GPS加入至輻射測量數(shù)據(jù)等。鍵盤掃描任務(wù)進(jìn)行用戶指令的識別，將其發(fā)送到消息處理任務(wù);LCD顯示任務(wù)完成輻射數(shù)據(jù)譜線及相關(guān)參數(shù)的顯示。

SD卡數(shù)據(jù)存儲采用開源的FAT32文件系統(tǒng)包FATFS0.07C完成，SD卡數(shù)據(jù)任務(wù)運(yùn)行時首先進(jìn)行文件系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)體初始化，然后響應(yīng)按鍵指令后將測量數(shù)據(jù)采用定期或非定期寫入，以后后續(xù)使用進(jìn)行翻查。USB數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)響應(yīng)上位機(jī)指令，將實(shí)時數(shù)據(jù)或從SD卡讀取歷史數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

在STM32上電復(fù)位后，首先進(jìn)行設(shè)備自檢，硬件設(shè)備無誤后啟動操作系統(tǒng)并創(chuàng)建任務(wù)，開始運(yùn)行應(yīng)用程序。

4 結(jié)論

通過實(shí)地使用，實(shí)測137Cs放射源能譜很清楚看出137Cs發(fā)出的全能峰、康普頓峰和反射峰。其能量分辨率達(dá)到10%左右。

該系統(tǒng)其他技術(shù)參數(shù)為：γ射線能量分析范圍為20 keV～3.0 MeV，連續(xù)測量數(shù)據(jù)符合放射性統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律，使用NAI探測器時，整機(jī)功耗為小于990 mW，實(shí)測USB最大傳輸速率為1 Mbps，在核輻射現(xiàn)場測量中有較好的應(yīng)用前景。