用ATmega128控制的多道脉冲幅度分析系统

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  在4兆伏静电加速器工作区域内,需建立大范围的核辐射监测系统。其中多道脉冲幅度分析系统是关键。对γ射线探测器输出脉宽信号(1~2µs)的峰值进行采集分析,其采集速率必须大于1MS/s[1]。

  当前类似系统大都采用C51系列单片机(89C51)作为主控制器,由于C51系列单片机机器周期为12个时钟周期,工作频率为12MHz时指令执行速率仅为1MIPS,其速度慢的缺点影响了多道脉冲分析系统采集及数据传输速率。

  我们设计的这套系统第一大特点,采用AVR单片机系列功能最强大的ATmega128,取代C51系列单片机,使系统的工作速度提高了数十倍,采集速率可达到5MS/s。第二大特点,为解决与上位机通讯速度慢的问题,采用USB接口技术,使数据传输速率达到1Mbit/s。因而,该系统从根本上满足了核电信号要求采集速度高,通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性高等优点[2]也极大地改善了其使用特性。

  1 ATmega128工作原理及其特点

  ATmega128是AVR系列中功能最强的单片机,运用Harvard结构概念,具有预取指令功能,即程序存储和数据存储具有不同的存储器和总线。当执行某一指令时,下一指令预先从程序存储器中取出,程序执行效率高[3]。ATmega128指令执行的时序图如图1所示。

  其机器周期为1个时钟周期,绝大多数指令为单周期指令,工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能。可产生周期为125ns(频率为8MHz)的方波作为高速模数转换电路的时钟信号,比C51单片机的速度要高20~30倍。

  2 ATmega128控制多道脉冲幅度分析系统的结构原理

  以AVR单片机ATmega128作为控制核心的多道脉冲幅度分析系统主要由程控放大电路、阈值电路、峰值保持电路、高速模数转换电路、存储器扩展电路及USB接口电路组成。系统结构框图如图1所示


图2 多道分析系统结构框图

  γ射线探测器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶体,它和PMT(光电倍增管)及前置放大器封

  装一体,输出与被探测能量成正比的电压脉冲程控放大后,经阈值电路后进入峰值保持电路。在ATmega128控制下,完成高速模数转换,送入扩展存储器。待PC机发出读取数据指令,将采集到的数据通过USB接口传输给PC机。

  2.1 程控放大及阈值电路

  程控放大电路采用高速(带宽为170MHz)、低漂移的运算放大器AD9631,通过ATmega128调整具有I2C总线接口X9241M(数字电位器)输出电阻,改变其放大倍率。主要目的是定期测量标准放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射线的全能峰)的峰位变化—峰位漂移的“道数”,调整其倍率稳定特征峰峰位[4]。

  阈值电路由高速精确的电压比较器AD790(响应时间为45ns)、X9241M及基准源组成,ATmega128调整X9241M输出电阻设定其下限阈值电压,剔除探测器输出的低噪声信号。

  2.2 峰值保持与高速模数转换电路

  代表γ射线辐射能量的电压脉冲信号非常窄,宽度在1~2µs左右,无法直接进行A/D转换,将其峰值扩展后方可进行量化。由ATmega128控制的峰值保持与高速模数转换电路如图3所示。峰值保持电路由ADG721和AD790组成。ADG721是高速COMS开关,高电平有效,开关闭合需要为24ns,断开需要11ns。

  峰值保持原理:开始ATmega128控制开关K1闭合,K2断开。U1输出电压分成两路,一路经二极管对100PF的电容C1充电;另一路送至电压比较器U3,与射极跟随电路U2输出电压比较。当U2输出电压大于U1输出电压时,此时电容C1保持的电压即为峰值电压。ATmega128接收到U3发出中断信号(INT2)后控制开关K1断开,启动高速模数转换电路对其采集并存储,完成后控制开关K2闭合,对电容C1进行放电。最后控制开关K1闭合,K2断开准备采集下一个γ事件峰值。电容C1是云母电容器,有极高的防泄露电能力,因而能够保持窄脉冲信号的峰值。

  高速模数转换电路中,AD9220是ADI公司一款性能优良的12位高速模数转换器,速率可达10MSPS[5]。选择内部参考源,用单端输入方式来进行采样,一次采样需要一个时钟周期,其速率取决于输入时钟的频率,电压输入范围为0~5V。

  ATmega128采用16MHz晶振,机器周期为62.5ns。通过软件编程在PD5端口产生周期为125ns的方波,作为AD9220进行采样的时钟信号(CLK)。由于每次采样后ATmega128还要进行数据存储,数据存储时间需62.5ns。故每获得一个数据总共需要187.5 ns。经测试表明,采用ATmega128成功弥补了89C51速度慢的缺点,充分发挥了AD9220高速模数转换的性能,转换速率达到了5MS/s。

  由于ATmega128内部仅含有4K的数据存储器,当数据采集量大于4K时,采用62256(32K)扩展外部数据存储器。

  2.3 USB接口电路及软件设计

  采用CH375作为USB控制器,它是一个USB总线的通用设备接口芯片,内置了USB通讯中的底层协议,支持主机方式和从机方式,具有8位数据总线(D0~D7)、地址输入(A0)、读(RD#)、写(WR#)、片选控制线(CS#)以及中断输出(INT#),作为从机挂接到ATmega128

  的数据总线上与上位机通信[6]。CH375与ATmega128接口电路如图4所示。


图4 USB控制器CH375与ATmega128接口电路

  在本地端,采用从机方式的CH375采用内置固件模式。ATmega128对CH375的操作是采用命令加数据的I/O操作方式,任何操作都是先发命令给CH375(其命令格式参考文献6),然后是执行数据输入输出。CH375接收到计算机端发送的数据或者发送完数据后,以中断方式通知单片机。

  在计算机端,采用VC作为计算机端应用软件的开发平台,利用CH375动态链接库DLL提供的API函数对其操作。将CH375芯片的驱动程序、动态链接库拷贝到计算机中,再将动态链接库的访问入口及函数定义入口添加至VC项目中后,对USB设备的通信编程就几乎和访问本地硬盘中的文件差不多了。

  3 全能峰测量

  该系统探测137Cs得到的全能峰如图4所示,阈值电路下限阈值电压设定为0.5V。横坐标为能量,分4096道,纵坐标为每道的记数值。从该图中可以得出137Cs的半高宽为171,能量分辨率为8.09%,产生662KeV的γ射线谱峰的最大计数是3395,对应的谱线道数是2115。

  4 结束语

  该系统由于采用AVR单片机ATmega128作为主控制器和USB总线进行数据传输,计数率高,死时间小。不仅具有采集速率高(5MS/s)的优点,还具有传输速度快(1Mbit/s)、易用、可扩展、快速、传输可靠等优点,已应用到我校4兆伏静电加速器的核辐射防护监测系统中。

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