現代核譜測量儀器的發展逐漸趨于便攜化、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，已滿足不了現代野外核輻射探測的需求。筆者所設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 射線進行數據采集，處理后通過液晶顯示模塊對譜線進行顯示; 同時也可將測量的數據存儲在存儲卡中，用于電腦更加精確地離線分析( 利用設計的核譜處理軟件) ，以彌補野外分析不足的缺陷。由于系統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 硬件系統設計*

整個核譜儀的硬件系統由探測器及放大電路模塊、高速數據采集和處理模塊、程控運放模塊、存儲和顯示模塊組成。系統的結構如圖1 所示。

圖1 硬件系統結構框圖

1． 1 放大電路的設計

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成一個整體，稱為探頭。

主放電路的主要作用是對信號進一步進行放大成形，以方便后續測量。經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進行線性放大，利用C3-R5-R6極零相消電路消除下沖，然后經過有源積分濾波器將信號進一步放大成形，這時的信號就可用于后續工作中。主電路如圖2 所示。

圖2 主電路

1． 2 高速數據采集

利用芯片自身攜帶的12 位ADC 對信號進行采樣，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。高速數據采集電路如圖3 所示。

圖3 高速數據采集電路

1． 3 穩譜電路設計

設計了由單片機自身攜帶的DAC 所組成的程控運放，目的是為了讓系統自動調節由各種外界條件引起的測量數據的偏差，增加系統的穩定性和測量數據的準確性。程控運放電路如圖4 所示。

圖4 程控運放電路

2 系統軟件設計

核譜數據處理程序在keil 編譯環境下編寫，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，控制器在收集數據的同時對收集的數據進行處理，并通過顯示模塊顯示。

圖5 軟件程序流程

在系統工作前首先要對系統進行初始化，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，獨立連續轉化模式，用于傳輸數據到SD 卡的SPI 總線采用八位數據傳輸模式，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容。其中譜光滑采用了多項式最小二乘擬合法，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 次多項式與W = 2m + 1 個譜數據點逐次分段進行擬合，以達到光滑的目的。設在譜數據中取2m + 1

對稱零面積法的思想是對稱的面積為零的“窗”函數與實驗譜數據進行褶積變換，對線性基底的褶積變換將為零，只有存在峰的地方不為零。這樣就可以準確找出峰位所在。程序為:

3 實際測試

系統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體探測器，但具有探測效率較高及靈敏體積大等特點，并且對環境的適應性較強。用NaI( Tl) 晶體50mm ×50mm 做測試，采集的數據經過核譜數據處理軟件處理后如圖6 所示。

圖6 數據處理效果

由圖6 可以看出，經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峰位的峰值，以便對其進行定性分析。

4 結束語

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，可以對所測數據進行分析處理，使儀器的整體性能得到了提高。但系統不能現場對所測數據進行分析處理是該系統存在的一個缺陷。

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