USB便攜式多道γ能譜儀的設計與實(shí)現

傳統的多道γ能譜儀一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的標準模式。但其存在體積龐大、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，不適合于野外現場(chǎng)測量。為適應多道γ能譜儀智能化、微機化、便攜化的實(shí)際需要，本設計采用筆記本電腦作為γ能譜儀的上位機。常用接口方式主要有RS-232C串口、紅外線(xiàn)端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。這幾種接口方式的特點(diǎn)比較如表1所示。

表1 接口方式特點(diǎn)比較

經(jīng)過(guò)比較輪證發(fā)現，USB作為近年出現的一種代表微機接口發(fā)展方向的新型總線(xiàn)規范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點(diǎn)，使之非常適合作為便攜式多道γ能譜儀的接口方式。目前大多數筆記本電腦一般都有兩個(gè)以下的USB端口，USB規范規定每個(gè)端口提供5V、500mA的電量，而筆記本電腦在實(shí)際應用時(shí)，通常是通過(guò)自帶鋰電池供電的，無(wú)法提供足夠的電量給外設，這時(shí)就會(huì )造成外設工作不正常，甚至使系統崩潰?？紤]到本系統下位機部分功耗較大，因此供電方式使用外置電源。

筆者在吸收借鑒γ能譜測量技術(shù)最新研究成果的基礎上，進(jìn)行了USB便攜式多道γ能譜儀的設計。本設計主要完成硬件、固件、設備驅動(dòng)程序以及應用程序等的設計工作。

圖2

1 硬件設計

1.1 系統總線(xiàn)結構

圖1所示為USB便攜式多道γ能譜儀的總體結構框圖。下位機硬件部分主要由γ射線(xiàn)探測系統（探頭）、脈沖信號調理電路、數字電位器、多道脈沖幅度分析器、USB接口電路以及電源電路等構成，其中探頭部分包括閃爍探測器、前置電路和高壓電路等，多道脈沖幅度分析器主要包括峰值別電路、控制電路、A/D轉換電路以及微控制器系統等。上位機由筆記本電腦系統構成。

軟件部分由固件、設備驅動(dòng)和應用程序組成。

1.2 USB接口電路

由于USB本身的控制協(xié)議較為復雜，需要使用相應的USB接口芯片。本設計采用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（簡(jiǎn)稱(chēng)D12），其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇合適的微控制器及其開(kāi)發(fā)系統進(jìn)行外設開(kāi)發(fā)。

D12內部集成了串行輸入引擎（SIE）、320字節的多結構FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器，支持DMA方式，采用雙緩沖區技術(shù)，遵從USB1.1標準。芯片中串行輸入引擎（SIE）模塊起著(zhù)至關(guān)重要的作用，完成所有USB協(xié)議層功能，如同步模式識別、并/串轉換、位填充/解填充、CRC檢驗/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認、地址識別、握手信號包響應產(chǎn)生等。另外，D12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統的性?xún)r(jià)比。

圖4

微控制器采用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一種兼容Intel8032微控制器的產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)是工作電壓范圍寬（2.7V～5.5V）、功耗低、性?xún)r(jià)比高。D12與GMS90L32的連接如圖2所示。本設計使用了多路地址/數據總線(xiàn)復用方式。

此外，本系統選用了美國ST公司的PSD913F2，它是用于8位微控制器的具有大容量FLASH存儲器、在系統編程（ISP）能夠和可編程邏輯的器件。它將地址鎖存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一個(gè)芯片內，成功地實(shí)現了微控制器系統的“MCU+PSD”兩芯片解決方案。這種方案既可簡(jiǎn)化電路設計，節省PCB印制板空間，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，又可增加系統可靠性，降低產(chǎn)品功耗。

2 系統軟件設計

2.1 微控制器固件程序

所謂固件程序就是固化在程序存儲器中的程序代碼。本系統的固件存儲在PSD913F2的Flash存儲器中，固件開(kāi)發(fā)使用的是Keil C51語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)平臺為μVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

固件的開(kāi)發(fā)是移植與開(kāi)發(fā)相結合。本設計參考了Philips公司提供的D12固件程序范例，對于USB協(xié)議操作的相關(guān)代碼可以直接移植使用，而數據采集、傳輸、存儲等部分則是全新的開(kāi)發(fā)工作。

固件程序結構如圖3所示。硬件抽象層對D12的數據讀、寫(xiě)以及各種指令的寫(xiě)入進(jìn)行函數封裝；D12命令接口層對D12的所有控制指令的函數進(jìn)行封裝；USB向量請求模塊完成USB上電配置、向量請求等各類(lèi)事件的響應處理；USB協(xié)議層包括對USB協(xié)議操作的封裝以及對USB標準請求的響應；中斷服務(wù)進(jìn)程包括USB中斷、ADC中斷以及定時(shí)器0中斷（記錄測量時(shí)間）等。

主程序及ADC中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。主程序首先完成各種初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，并根據標志變量執行相應的函數。當打開(kāi)控制電路時(shí)，脈沖峰值別電路自動(dòng)啟動(dòng)A/D轉換，轉換結束信號會(huì )觸發(fā)微控制器外部中斷1，進(jìn)入ADC中斷服務(wù)程序，讀取A/D轉換結果并存入緩存中，然后中斷返回。

當D12有事件需要處理時(shí)，將觸發(fā)微控制器外部中斷0，微控制器讀取D12的中斷狀態(tài)寄存器，判斷中斷的來(lái)源并作出相應的處理。若由數據端點(diǎn)觸發(fā)，則相應地讀取或寫(xiě)入數據；若由控制端點(diǎn)0觸發(fā)，則判斷請求的類(lèi)型。標準請求由USB協(xié)議處理模塊處理，用戶(hù)自定義向量請求由USB向量請求模塊處理。

2.2 USB設備驅動(dòng)程序的設計

在Windows環(huán)境下，USB設備驅動(dòng)程序遵循WDM（Win32 Driver Mode）方式。為了簡(jiǎn)化設計，并兼顧驅動(dòng)程序的運行效率，筆者選用了DriverStudio2.7工具軟件中的DriverWorks組件進(jìn)行USB設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。DriverWorks為WDM設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)提供了完善的支持。其中包含一個(gè)非常完善的源代碼生成工具DriverWizard以及相應的類(lèi)庫和驅動(dòng)程序范例，它還支持在C++下進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。通過(guò)DriverWizard生成的代碼只需要進(jìn)行少量的修改可以使用，這使得驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)者可以將精力集中在驅動(dòng)功能的實(shí)現上，而不必理會(huì )太多的WDM開(kāi)發(fā)細節。

本設計在DriverWizard的最后自定義了三個(gè)IOCTL接口對USB設備進(jìn)行控制，如表2所示。然后在自動(dòng)生成的驅動(dòng)程序代碼中向相應的IOCTL函數添加代碼，用函數BuildVerdorRequest構建USB協(xié)議的自定義向量請求（Vendor Request）。由編譯修改后的源代碼即可得到驅動(dòng)程序文件McaD12.SYS。

表2 自定義IOCTL接口

2.3 USB應用程序的設計

應用程序的設計在Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。根據實(shí)際要求，本設計需要在軟件中對采集的數據進(jìn)行整理、分析并顯示。其功能模塊主要有數據采集、譜數據顯示、ROI操作、系統刻度、譜分析等，其結構框圖如圖5所示。

在Win32系統中，USB設備被抽象為一個(gè)文件，應用程序只需要通過(guò)幾個(gè)API函數就可以實(shí)現與驅動(dòng)程序中USB設備的通信。API函數如表3所示。

表3 設備文件操作API函數

本程序設計使用MFC多線(xiàn)程技術(shù)。單擊開(kāi)始按鈕，程序就創(chuàng )建一個(gè)用戶(hù)接口線(xiàn)程，并且通過(guò)IOCTL啟動(dòng)USB設備，然后在此線(xiàn)程每隔一定時(shí)間（10～20ms）從USB總線(xiàn)上讀取一次數據；而程序自身的主線(xiàn)程則不斷地依據讀取的數據刷新屏幕，顯示多道能譜。當單擊停止按鈕或是設定采集時(shí)間到時(shí)，程序則通過(guò)IOCTL停止USB設備的數據采集，終止用戶(hù)接口線(xiàn)程，并且停止屏幕譜線(xiàn)的更新。

當創(chuàng )建用戶(hù)接口線(xiàn)程時(shí)，首先從CwinThread類(lèi)派生一個(gè)CioThread類(lèi)，然后調用AfxBeginThread()函數創(chuàng )建CioThread類(lèi)的對象進(jìn)行初始化，啟動(dòng)線(xiàn)程運行。根據需要可將初始化和結束代碼分別放在類(lèi)的InitInstance()和ExitInstance()函數中。其中，InitInstance()函數是從USB采集數據的線(xiàn)程的主要函數。從中實(shí)現對IOCTL的調用、對USB設備數據的讀取等功能。其流程如圖6所示。

3 測試與結論

實(shí)測Cs放射源γ能譜如圖7所示。根據能量為0.6641MeV的譜峰，系統可以自動(dòng)計算能量分辨率，實(shí)測能量分辨率小于10%。

經(jīng)過(guò)嚴格測試，該系統其它主要技術(shù)指標為：γ射線(xiàn)能量分析范圍為20keV～3.0MeV; γ能譜分析道數為1024道；放射源能量非線(xiàn)性系數小于5%；使用NaI(T1)探測器時(shí)，整機功耗小于960mW；實(shí)測USB最大數據傳輸速率約為1Mbps；連續測量數據符合放射性統計漲落規律；設備驅動(dòng)及應用程序兼容Win98/2000/XP。

上述結果表明，本系統的技術(shù)路線(xiàn)和軟硬件設計先進(jìn)，方案合理，并具有一定的創(chuàng )新性和實(shí)用價(jià)值。對本系統編譯稍加修改便可應用于其它基于微機的數據采集、自動(dòng)化測控系統中。