USB便攜式多道γ能譜儀的設計與實現(xiàn)

摘要：討論了串行總線（USB）技術應用于便 攜式多道γ能譜儀的可行性，并詳細介紹了 系統(tǒng)的硬件、固件、設備驅動程序以及應用程序的設計方法，最后給出了其性能測試結果。

野外地面γ能譜測量技術主要研究地殼巖石土壤中產生的能量范圍約為30keV～3000keV的γ射線，這里面包含著軸、鉀等天然放射性核元素信息、核工程活動產生的大量人工放射性核元素信息以及γ射線與地殼相互作用產生的相關信息。而用于獲取和處理γ能譜數(shù)據的多道γ能譜儀是重要的研究課題，其功能是把從γ射線探測器得到的脈沖信號轉換為X-Y軸的能譜形式并顯示出來（X軸代表能量，Y軸代表脈沖計數(shù)）。

傳統(tǒng)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，不適合于野外現(xiàn)場測量。為適應多道γ能譜儀智能化、微機化、便攜化的實際需要，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、紅外線端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。這幾種接口方式的特點比較如表1所示。

表1 接口方式特點比較

方式長度（m）速度（b/s）主要優(yōu)點主要缺點串口1520k應用廣泛，研發(fā)簡單速度慢，逐漸被淘汰并口108M速度較快，研發(fā)簡單逐漸被淘汰紅外線2115k無線傳輸距離短，可靠性差，耗電大USB1.1512M傳輸穩(wěn)定，速度快，使用方便，具有彈性，代表接口發(fā)展方向協(xié)議復雜，研發(fā)難度較大13941.5400M傳輸速度快，具有彈性特定用途（視頻），研發(fā)難度大Ethernet50010M傳輸可靠，使用方便 ，資源共享特定用途（LAN），研發(fā)難度大

經過比較輪證發(fā)現(xiàn)，USB作為近年出現(xiàn)的一種代表微機接口發(fā)展方向的新型總線規(guī)范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點，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(shù)筆記本電腦一般都有兩個以下的USB端口，USB規(guī)范規(guī)定每個端口提供5V、500mA的電量，而筆記本電腦在實際應用時，通常是通過自帶鋰電池供電的，無法提供足夠的電量給外設，這時就會造成外設工作不正常，甚至使系統(tǒng)崩潰�？紤]到本系統(tǒng)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能譜測量技術最新研究成果的基礎上，進行了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(tǒng)總線結構

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射線探測系統(tǒng)（探頭）、脈沖信號調理電路、數(shù)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(tǒng)等。上位機由筆記本電腦系統(tǒng)構成。

軟件部分由固件、設備驅動和應用程序組成。

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（簡稱D12），其優(yōu)點是可以選擇合適的微控制器及其開發(fā)系統(tǒng)進行外設開發(fā)。

D12內部集成了串行輸入引擎（SIE）、320字節(jié)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(qū)技術，遵從USB1.1標準。芯片中串行輸入引擎（SIE）模塊起著至關重要的作用，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/產生、包PID產生/確認、地址識別、握手信號包響應產生等。另外，D12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統(tǒng)的性價比。

圖4

微控制器采用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一種兼容Intel8032微控制器的產品，其主要特點是工作電壓范圍寬（2.7V～5.5V）、功耗低、性價比高。D12與GMS90L32的連接如圖2所示。本設計使用了多路地址/數(shù)據總線復用方式。

此外，本系統(tǒng)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(tǒng)編程（ISP）能夠和可編程邏輯的器件。它將地址鎖存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一個芯片內，成功地實現(xiàn)了微控制器系統(tǒng)的“MCU PSD”兩芯片解決方案。這種方案既可簡化電路設計，節(jié)省PCB印制板空間，縮短產品開發(fā)周期，又可增加系統(tǒng)可靠性，降低產品功耗。

2 系統(tǒng)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(tǒng)的固件存儲在PSD913F2的Flash存儲器中，固件開發(fā)使用的是Keil C51語言，開發(fā)平臺為μVision2集成開發(fā)環(huán)境。

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