基于STM32的多功能γ能譜儀設計

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接口電路構成。是一種集輻射強度檢測、輻射源地理位置定位，數據存儲，USB傳輸等功能于一體的監測系統，大大豐富并提高了能譜儀的性能。

隨著(zhù)對天然輻射場(chǎng)中低能量γ譜學(xué)及其應用的深入研究，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(chǎng)調查、建材與建筑裝飾材料放射性檢測方面，都得到廣泛的應用，應用場(chǎng)合的復雜多樣化對核輻射測量?jì)x器提出新的需求。傳統的核輻射測量?jì)x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位單片機系統來(lái)進(jìn)行控制，數據采集常采用速度較低的ADC芯片。硬件電路復雜、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(gè)嶄新的高度，同時(shí)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(wú)線(xiàn)通信，位置定位功能、具備大容量SD卡文件數據存儲、USB傳輸接口的γ能譜儀設計。

1 系統總體結構

本能譜儀是以意法半導體出品的STM32芯片為主控制器，搭配N(xiāo)AI探測器及外圍電路構建的硬件平臺;以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統uCosII2.9.0為軟件平臺，進(jìn)行驅動(dòng)開(kāi)發(fā)，應用程序管理。系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

電源部分采用鋰電池組供電，經(jīng)過(guò)電源管理模塊產(chǎn)生探頭所需高壓外，還需提供信號調理，控制回路所需工作電源;主控制器部分采集GPS模塊定位數據，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊時(shí)間數據，加入到輻射測量數據中作為數據標志;同時(shí)將測量結果顯示在TFT液晶屏上，或者通過(guò)USB電路傳送至上位機;在主控制作用下，系統定時(shí)會(huì )將測量數據保存至SD卡，存儲數據以備回查。在系統硬件設計中，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(shí)提升系統處理速度和其他性能，系統采用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，內置高速存儲器，64K的SRAM和512K的Flash，具備豐富的增強IO端口和連接到兩條APB總線(xiàn)的外設。器件包含兩個(gè)12 bit的ADC，3個(gè)通用16 Bit定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標準和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C和SHI，5個(gè)USART，1個(gè)USB和CAN。工作電壓為常見(jiàn)的3.3V。該芯片專(zhuān)門(mén)設計于集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應用、具有競爭價(jià)格與一體的產(chǎn)品設計領(lǐng)域需求。

2.2 前置放大及脈沖放大成形電路

為了滿(mǎn)足現場(chǎng)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(guò)前置放大器和主放大器調理，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、寬頻帶集成運算放大器AD844構成的電壓跟隨器，主放大器包括極零相消電路、可調主放大器、有源積分濾波電路。主放大器由AD8066配套周?chē)娐方M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(wú)源RC積分電路。核脈沖信號經(jīng)過(guò)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，方便后續電路處理。

2.3 甄別電路

脈沖整形后信號通過(guò)峰值檢測及相應控制電路，然后送入主控制器模數轉換器進(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(lái)對信號進(jìn)行甄別，只允許一定幅度的脈沖通過(guò)，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(kāi)環(huán)增益大，電壓上升速率快，恢復時(shí)間短，具體設計如圖5所示。

2.4 GPS電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路及SD卡存儲電路

傳統譜儀僅實(shí)現輻射強度實(shí)時(shí)測量，對測量點(diǎn)具體位置及測量具體時(shí)間無(wú)法記錄，也無(wú)法實(shí)現大量數據的存儲，以提供歷史數據回查功能。為了克服以上缺點(diǎn)，本能譜儀進(jìn)行了改進(jìn)。

為了實(shí)現輻射源實(shí)時(shí)位置的監測，系統需要配置定位設備，由于輻射源的適用場(chǎng)合主要是室內，而普通的GPS在室內無(wú)信號，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應用需要，本系統選用GPS和CDMA移動(dòng)通信雙重定位技術(shù)的GPS-one模塊來(lái)實(shí)現輻射源的實(shí)時(shí)定位，GPS-one是美國高通公司開(kāi)發(fā)的基于CDMA

技術(shù)標準的定位技術(shù)，采用Client/Server方式。他將無(wú)線(xiàn)輔助A—GPS和高級前向鏈路AFLT三角定位這兩種定位技術(shù)有機結合，實(shí)現高精度、高可靠性和較高定位速度。在A(yíng)—GPS定位技術(shù)無(wú)法使用的環(huán)境中，會(huì )自動(dòng)采用AFLT三角定位技術(shù)，從而確保定位的成功率和準確度。本譜儀使用的GPS-one模塊具體型號為DTGS8—8000 DTGS8—800模塊具有標準的RS232接口，可通過(guò)TTL—RS232轉換器與STM32連接，采用標準的AT指令驅動(dòng)模塊工作。

輻射強度測量數據的存儲物理介質(zhì)為高密度SD卡，利用STM32內部集成的SDIO接口擴展的micro—SD卡作為數據存儲;實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路采用DS1337日歷芯片，利用STM32內部集成的串行IIC總線(xiàn)接口與之連接。上述設備連接方式簡(jiǎn)單，通信可靠，大大降低了系統尺寸，提高了穩定性。