基于嵌入式系統的能譜型核測井儀器

1引言
民用非動(dòng)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(zhù)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(lái)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(xué)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。這些儀器多數采用筆記本電腦為測井儀器系統的控制核心，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的嵌入式系統為測井儀系統的控制核心，并在此基礎上開(kāi)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量的放射性元素存在著(zhù)，他們能夠自發(fā)地放出放射性射線(xiàn)。在自然界中，這些放射性射線(xiàn)主要來(lái)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(zhù)各不相同的γ射線(xiàn)特征譜峰，如鈾、釷、鉀的特征譜峰分別為 1.76MeV、2.62MeV、1.47MeV，因此可以根據測量所得的能譜數據，判定測量點(diǎn)位置的放射性元素成分，即進(jìn)行放射性元素的定性分析。同時(shí)，放射性元素的含量與它的γ射線(xiàn)強度成正比，因此只要計算出放射性元素的γ射線(xiàn)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、傳統剝譜法與逐點(diǎn)剝譜反褶積解釋法等。
能譜型核測井方法是通過(guò)研究天然產(chǎn)生或人工激發(fā)的放射性射線(xiàn)譜沿井軸的分布特點(diǎn)而確定該地層中的某些元素成分和含量的一種無(wú)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場(chǎng)測量伽瑪射線(xiàn)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(mǎn)足體積小、性能穩定、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數據采集硬件系統設計方案
數據采集硬件系統主要由井下探管、自動(dòng)絞車(chē)、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。目前國內外的核輻射探測器主要有閃爍體探測器（如NaI（T1）無(wú)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(lái)的一類(lèi)新型先進(jìn)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(shí)還具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)做好防水密封性能，能滿(mǎn)足在測井的高溫高壓條件下正常工作。
自動(dòng)絞車(chē)負責控制井下探管的運動(dòng)，實(shí)現探管在測井中進(jìn)行逐點(diǎn)測量方式或連續測量方式的移動(dòng)功能，并向嵌入式系統控制核心傳送井下探管的深度值。
能譜采集電路實(shí)現對碲鋅鎘（CZT）探測器輸出的電脈沖信號線(xiàn)性放大、調整與去除信號噪聲，并將測量脈沖信號的范圍平均分成多個(gè)脈沖幅度間隔，然后統計處理后的脈沖信號在各個(gè)脈沖幅度間隔的個(gè)數，以便形成各個(gè)脈沖幅度的計數分布曲線(xiàn)。能譜采集電路主要由線(xiàn)性放大器、過(guò)峰檢測電路、峰值保持電路、觸發(fā)ARM920T處理器S3C2410A內置A/D模數轉換等組成。其電路結構如圖1所示。

3.2嵌入式系統在能譜型核測井儀中的應用
3.2.1嵌入式硬件系統
能譜型核測井儀系統的控制核心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數據Cache。存儲系統采用2MB的NORFlash、128MB的 NANDFLASH與64MB的SDRAM相結合，作為程序運行和數據存儲空間。并設計了各種相應的外圍接口，主要包括LCD接口、SPI鍵盤(pán)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內部已集成了 LCD控制器，所以可以很方便地控制各種類(lèi)型的LCD顯示屏。
3.2.2嵌入式軟件系統
在核測井儀硬件平臺上編寫(xiě)Bootloader引導程序，用于初始化目標板硬件，給操作系統提供板上硬件資源信息，并進(jìn)一步裝載、引導嵌入式Linux操作系統。因U-Boot具有廣泛的通用性，選擇U-Boot在該硬件平臺上進(jìn)行移植，Flash驅動(dòng)程序與SDRAM驅動(dòng)程序的移植是U-Boot成功移植的關(guān)鍵。
嵌入式Linux支持多種體系結構，有強大的網(wǎng)絡(luò )功能支持，支持多文件系統，有豐富的外設驅動(dòng)，此外Linux還具備一整套工具鏈，使用戶(hù)容易自行建立嵌入式系統的開(kāi)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操作系統內核，并移植基于Linux的YAFFS嵌入式文件系統。根文件系統采用YAFFS文件系統，具有速度快、占用內存少等特點(diǎn)，自帶NAND芯片驅動(dòng)，YAFFS是專(zhuān)門(mén)為NAND閃存設計的日志結構嵌入式文件系統，適用于大容量的存儲設備。
3.2.3基于MiniGUI的監控終端設計
MiniGUI是一個(gè)面向實(shí)時(shí)嵌入式系統的輕量級圖形用戶(hù)界面支持系統，廣泛應用于手持信息終端、機頂盒、工業(yè)控制系統及工業(yè)儀表、便攜式多媒體播放機、查詢(xún)終端等產(chǎn)品和領(lǐng)域。能譜型核測井儀的監控終端基于MiniGUI圖形界面開(kāi)發(fā)庫編寫(xiě)，實(shí)現了能譜數據的采集、能譜曲線(xiàn)的顯示、數據文件的管理、能譜數據的分析等功能。能譜型核測井儀的監控終端基本結構如圖2所示。

3結束語(yǔ)
本文瞄準國內外核測井儀的發(fā)展趨勢，結合便攜式儀器現場(chǎng)工作的特點(diǎn)以及嵌入式系統的發(fā)展特點(diǎn)，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、YAFFS文件系統、MiniGUI圖形界面開(kāi)發(fā)庫、編寫(xiě)了Bootloader系統引導代碼、編寫(xiě)了設備驅動(dòng)程序、編寫(xiě)基于Linux操作系統和MiniGUI的測井儀監控終端軟件。
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