基于S3C2440的能量色散X射線(xiàn)熒光光譜儀

X射線(xiàn)熒光分析是一種快速、準確而又經(jīng)濟的多元素分析方法[1]。目前，X射線(xiàn)熒光分析技術(shù)已被廣泛應用于地質(zhì)、冶金、化工、材料、石油、醫療等領(lǐng)域，尤其是能量色散X射線(xiàn)熒光EDXRF（Energy Dispersive X-Ray Fluorescence)光譜儀，由于具有體積小、價(jià)格低廉、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為普遍多元素同時(shí)分析的有力手段。

EDXRF光譜儀利用X射線(xiàn)熒光對于不同元素具有不同能量的特點(diǎn)，依靠探測器實(shí)現對測試樣品中元素的定性、定量分析。隨著(zhù)電子學(xué)技術(shù)、計算機科學(xué)技術(shù)以及半導體材料的發(fā)展，特別是嵌入式技術(shù)的應用，為X射線(xiàn)熒光光譜儀智能化、小型化及高性能提供了必要的硬件基礎。本文提出了基于S3C2440嵌入式處理器的便攜式EDXRF光譜儀的設計方案，用于分析檢測合金、礦石中的多種元素。

1 方案設計

便攜式EDXRF光譜儀采用X射線(xiàn)管作為激發(fā)源，Si-PIN探測器作為X射線(xiàn)探測器。X射線(xiàn)打到測試樣品后，X射線(xiàn)熒光光量子通過(guò)探測器轉變?yōu)橐欢ㄐ螤詈蛿盗康碾娒}沖。該電脈沖經(jīng)前置放大處理后，變?yōu)榭蓽y電脈沖信號。本方案采用S3C2440高性能的嵌入式處理器，外擴高速A/D轉換芯片AD7676，由S3C2440硬件定時(shí)和AD7676組成數字脈沖分析器，將可測電脈沖信號變成數字信號，實(shí)現EDXRF光譜的采集。

S3C2440以ARM920T為內核，支持Windows CE操作系統。本系統基于Windows CE系統上的AD7676驅動(dòng)程序，在應用程序層控制AD7676的工作，實(shí)現了EDXRF光譜的采集、存儲、分析。其整體方案如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 AD7676

AD7676是美國模擬器件公司生產(chǎn)的16位高速（500 kS/s）SAR ADC[2]，內置16位高速采樣ADC、差分輸入結構、內部轉換時(shí)鐘、糾錯電路以及串行和并行系統接口。

AD7676的采樣數據讀取有兩種方式：轉換完成后讀取和采樣中讀取。圖2所示為采樣中讀取方式時(shí)序，當AD7676轉換結束后，忙信號變?yōu)榈碗娖?，保持片選信號為低，使得轉換及讀信號由高變低，此時(shí)數據總線(xiàn)上出現上次轉換后的數據。采樣中讀取方式時(shí)，在轉換完成后，可同時(shí)讀取數據及啟動(dòng)下一次采樣，消耗時(shí)間少，適用于本系統。

2.2 數字脈沖分析器

數字脈沖分析器由信號處理電路(信號調理、放大)、高速AD轉換器（AD7676）及S3C2440處理器組成，圖3所示為系統電路框圖。

X射線(xiàn)熒光光量子通過(guò)SI-PIN探測器轉變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)調理、前置放大處理后變?yōu)榭蓽y電脈沖信號傳給AD7676采樣處理。為了保證采樣的正確性，采用基準電壓芯片為AD7676提供基準電壓，同時(shí)為了防止電源串入的干擾，采用專(zhuān)用的DC－DC隔離電源使得模擬部分電源與數字處理部分電源隔離。S3C2440處理器與AD7676之間的數據總線(xiàn)采用數據緩沖器SN74LVC16245驅動(dòng)。

3 基于Windows CE的AD7676驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

由圖3可知，AD7676被直接映射到S3C2440系統內存，所以其驅動(dòng)程序采用單片式流接口設備驅動(dòng)模型。同時(shí)當AD7676轉換結束后，采用中斷方式通知S3C2440讀取轉換結果，并啟動(dòng)下一次轉換。AD7676驅動(dòng)程序由內核部分和流接口函數部分組成。內核部分完成中斷的處理，包括中斷的使能、禁止、喚醒中斷服務(wù)線(xiàn)程等工作；流接口函數完成AD7676的打開(kāi)、關(guān)閉、初始化以及數據的讀、寫(xiě)操作。

3.1 內核部分

系統硬件電路采用中斷方式對AD7676進(jìn)行數據的讀取，以提高S3C2440的使用效率。Windows CE對中斷的響應過(guò)程如圖4所示[3]。

參照時(shí)序圖，修改Windows CE中與中斷相關(guān)的內核文件，完成物理中斷到邏輯中斷的映射。主要工作如下：(1)修改oalintr.h文件，完成中斷向量的注冊；(2)修改cfw.c文件，完成中斷允許、中斷禁止和中斷完成操作。經(jīng)過(guò)修改Windows CE內核文件，完成物理中斷Eint0到邏輯中斷號SYSINTR_ADC的映射，就可以利用Windows CE提供的API函數完成物理中斷Eint0的操作。

3.2 流接口函數

Windows CE流接口驅動(dòng)程序是動(dòng)態(tài)鏈接庫，由設備管理器統一加載、管理和卸載。在Windows CE中，流接口函數一共有10個(gè)，所開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序采用了其中的7個(gè)接口函數：AD7676_Deinit、AD7676_Init、AD7676_Open、AD7676_IoControl、AD7676 _Read、AD7676 _Write、AD7676_Close。

流接口函數需要完成兩個(gè)主要方面的工作：AD7676數據結構的建立、流接口函數代碼的實(shí)現。其中AD7676初始化、中斷服務(wù)程序最為重要。

(1)PADC_CONTEXT AD7676_Init(LPCTSTR pContext，LPCVOID lpvBusContext)
AD7676_Init接口函數在驅動(dòng)程序加載時(shí)，由設備管理器調用，主要完成硬件初始化，如映射設備物理內存、配置相關(guān)寄存器、創(chuàng )建中斷事件、中斷服務(wù)線(xiàn)程等工作。

AD7676_Init接口函數按照圖5所示調用順序完成驅動(dòng)的初始化工作。調用成功后，將返回AD7676數據結構的首地址[4]。

(2)中斷服務(wù)線(xiàn)程AD7676_ISR

AD7676_ISR中斷服務(wù)線(xiàn)程是中斷處理的核心部分，負責將緩沖區中的數據讀至系統內存[3]。

DWORD AD7676_ISR(PVOID pContext){
PHW_INDEP_INFO pHead=(PHW_INDEP_INFO)
pContext；
ULONG WaitReturn；
While(!Done()){
WaitReturn=WaitForSingleObject((PHW_INDEP_
INFO)pContext，INFINITE)；
if(WaitReturn==WAIT_OBJECT_0){
……//讀取AD7676轉換后的數據
InterruptDone(pHead->dwIntID)；
}
}
return 0；
}

4 定性分析應用實(shí)例

利用此方案設計的便攜式EDXRF光譜儀對某被測樣品進(jìn)行了定性分析。圖6所示為該被測樣品經(jīng)過(guò)光滑、扣背景后的譜線(xiàn)，圖中標出了Ni的Kα線(xiàn)與Kβ線(xiàn)、Au的Lα線(xiàn)與Lβ線(xiàn)。

表1為對圖6譜線(xiàn)經(jīng)尋峰、能量刻度后，計算獲得的被測樣品中元素已知能量值與測量值的對比。

從表1元素已知能量值與測量值之間的相對誤差可以看出，使用此方案獲得的譜線(xiàn)經(jīng)過(guò)光滑、扣背景、尋峰、能量刻度后，完全能達到定性分析的要求。