基于ARM微控制器LPC2134的多道脈沖幅度分析器設(shè)計

　　多道脈沖幅度分析器不僅能自動獲取能譜數(shù)據(jù)，而且一次測量就能得到整個能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時間，與此同時，其測量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)50年代以來，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速，現(xiàn)在已成為獲取核能譜數(shù)據(jù)的通用儀器。

　　多道分析任務(wù)是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個幅度間隔，然后測量幅度在每一個幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量采用的是計算機(jī)技術(shù)中的A/D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。

　　在計算機(jī)的存儲器中開辟一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個計數(shù)器，每一個脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個對應(yīng)的計數(shù)器。多道脈沖幅度分析時，可在微處理器的控制下，將被分析的脈沖信號首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A/D變換形成一個代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址)。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對應(yīng)的計數(shù)器地址。并使該地址對應(yīng)的計數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計數(shù)加一)。這樣，經(jīng)過一段時間的測量，存儲器內(nèi)計數(shù)器緩沖中各計數(shù)器計數(shù)的多少就可反映輸入脈沖的幅度分布。

　　1 多道脈沖幅度分析器結(jié)構(gòu)

　　一臺完整的核地球物理儀器通?？煞譃閮刹糠郑汉溯椛?a target="_blank">探測器和嵌入式系統(tǒng)。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來自放大器的信號并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果;另一方面將存儲的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或通過計算機(jī)接口送給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和譜線顯示。

　　本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖信號在通過甄別電路和控制電路時，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對脈沖信號峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片上Flash中，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

　　2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計

　　2.1 脈沖線性主放大器

　　多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、ARM嵌入式系統(tǒng)組成，其控制核心為嵌入式系統(tǒng)。它的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類計數(shù)。多道脈沖幅度分析器將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個幅度間隔，幅度間隔的個數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù)，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析的越精細(xì)，各個道的計數(shù)相應(yīng)減少，需要測量的時間就要加長，硬件電路也隨之復(fù)雜。因此，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5～10道。對于采用NaI探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿足測量要求。而對于半導(dǎo)體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示1024道。

　　主放大器應(yīng)放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調(diào)節(jié)來補(bǔ)償核輻射探測器輸出脈沖幅度的變化。由于探測器輸出的脈沖信號幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏)，脈沖寬度比較窄，因此。為了能進(jìn)行信號幅度分析，實現(xiàn)能譜測量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對脈沖特點(diǎn)，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：

　　首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來確定。因為前放輸出的電脈沖信號幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內(nèi)，所以其放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號幅度有差異，其放大倍數(shù)應(yīng)可調(diào)試。

　　其次是放大器的頻帶寬度。由于前放輸出的脈沖寬度會受有關(guān)電路影響，一般為幾個μs，因此，要求放大器的頻帶寬度為1～2MHz。

　　第三是放大器的噪聲?？紤]到來自前放的信號幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應(yīng)盡可能的小。一般地，選用低噪聲的運(yùn)算放大器組件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。

　　另外，諸如放大器的輸入阻抗、抗計數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等，在電路設(shè)計和調(diào)試時也應(yīng)予以考慮。由于α脈沖信號通過整形后大概有1~2個微秒的脈沖寬，γ脈沖信號通過整形后大概有3～5個微秒的脈沖寬，所以，在選用運(yùn)算放大器時，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點(diǎn)。

　　2.2 峰值檢測電路

　　峰值檢測電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成，甄別電路的作用是檢測信號時序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時序?qū)?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬開關(guān)、ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。控制電路必須跟甄別電路的時序嚴(yán)格結(jié)合在一起，才能完成峰值檢測任務(wù)。

　　由于核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比，因此，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量?？梢姡}沖幅度測量技術(shù)在核能譜測量中是一個重要的問題。甄別電路需要解決三個與信號相關(guān)的信息：一是超過閾值信號的信息;二是過峰時間信息，即啟動ADC轉(zhuǎn)換的時間信息;三是ADC完成轉(zhuǎn)換的時間信息。甄別電路中也存在三個關(guān)鍵問題，研究中要予以注意：

　　首先，由于放大器輸出的α和γ射線脈沖寬度比較窄(約1μs到5μs)，而本系統(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為10μs，所以，要對脈沖信號峰值進(jìn)行峰值展寬。采樣保持電路要求采樣速度快，以使保持時間能達(dá)到ADC采樣時間指標(biāo)。

　　其次，由于脈沖信號的隨機(jī)性，為了防止信號來的過密而引起漏計，本系統(tǒng)采用10μs轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以，從理論上分析，如果兩個信號相隔10μs內(nèi)，則會引起漏計。而由于CPU處理速度等問題的存在，實際上，這個時間間隔可能長3～10倍，即在30～100μs之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定)，甚至更多，也就是說，實際信號出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以，可以忽略這個問題。

　　另外，還要解決信號過密而引起的幅度信號錯誤紀(jì)錄，而高能區(qū)的信號也可能被誤計為低能區(qū)的信號，容易引起低能計數(shù)偏大而高能計數(shù)偏小的問題。

　　圖2所示是甄別電路和控制電路的原理圖。甄別電路的主要功能是完成過峰檢測和去除信號噪聲，可通過設(shè)定閉值將信號中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過后，提供信息給控制電路;控制電路的主要功能是完成對A/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制。控制電路可由74HC74觸發(fā)器構(gòu)成。

　　甄別和控制電路具體工作過程是，先由嵌入式微處理器控制中心給控制電路發(fā)出信號，以使控制電路處于工作狀態(tài)，當(dāng)脈沖信號到達(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別，并在過峰值后，將峰值通過的時間信息提供給控制電路;此后由控制電路啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換完畢，再由嵌入式微處理器控制中心產(chǎn)生中斷，同時使控制電路停止工作，同時進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理;中斷完畢，再由單片機(jī)發(fā)信號使控制電路重新處于工作狀態(tài)。

　　采樣開始時，先由ARM通過控制74HC74來啟動A/D，然后，使U2A的RD和U2B的RD及SD端輸出高電平，控制電路處于接收信號狀態(tài)。當(dāng)信號上升沿的能量低于設(shè)定的閉值電壓時，U2A的CLK端為低電壓，此時，U2A的RD和SD端均為高電平，輸出端5腳保持原來的低電平不變。當(dāng)信號上升沿的能量高于設(shè)定的閉壓值時，U2A的CLK端為高電壓，輸出端5腳輸出高電平，啟動U2B。當(dāng)脈沖沒有達(dá)到峰值時，比較器U1B的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓，6端輸出低電壓，當(dāng)過峰后，6端輸出高電平，R/C輸出低電平以啟動A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后，由ARM重新控制A/D進(jìn)行下一個脈沖信號的采集。甄別電路和控制電路的工作流程如圖3所示。

　　2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果反饋給微控制器。多道脈沖幅度分析器主要用于快速、高精度地對輸入的核脈沖信號進(jìn)行采樣，并將脈沖的幅度值轉(zhuǎn)換成微控制器所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為多道脈沖幅度分析器的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的能量分辨率和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)。綜合對多道脈沖幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如轉(zhuǎn)換速度，功耗，轉(zhuǎn)換精度)等考慮，本系統(tǒng)選用AD公司的AD7994，并在實際工作中采用“并道”的方法，每4道并作l道，則道寬非線性即可降低至原來的1/4。這種方法可降低由于ADC本身造成的非線性誤差。其具體電路設(shè)計見圖4所示。

　　2.4 ARM微控制器外圍電路設(shè)計

　　LPC2134是具有全雙工通信能力的串行外設(shè)接口芯片(SPI)。一個SPI總線可以連接多個從器件和多個主器件，但是在同一時刻，則只允許有一個主機(jī)操作總線。本系統(tǒng)利用SPI接口來擴(kuò)展Flash存儲器。Flash存儲器選用ATMEL公司的AT45DB041。ARM與串行Flash芯片AT45DB041的連接電路如圖5所示。

　　本系統(tǒng)中，ARM工作在主機(jī)方式。由于ARM工作在主機(jī)方式時，若SSEL引腳為低電平，則將禁止SPIO模塊工作。所以，為了系統(tǒng)可靠的工作，雖然這里該引腳未用，仍需將它通過上拉電阻接在電源上。串行Flash芯片AT45DB041的CS片選端由ARM控制。WP為寫保護(hù)端，若使能，則存儲器的前256頁將不能擦除重寫。由于本系統(tǒng)不需要此功能，因此，此腳直接接高電平。由于微處理器的存儲容量有限且運(yùn)算功能不強(qiáng)，故在對數(shù)據(jù)進(jìn)行較復(fù)雜的處理時，往往需要借助計算機(jī)系統(tǒng)。因為串行通訊具有所用傳輸線少，適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用串口來連接計算機(jī)和微控制器。串口通信的硬件電路如圖6所示。串口信號TXD和RXD直接和LPC2134的串行口相連接。

　　3 多道脈沖幅度分析器相關(guān)軟件設(shè)計

　　ARM微處理器軟件可采用前/后臺系統(tǒng)(foreground/background)或超循環(huán)系統(tǒng)(super-loops)設(shè)計。應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)可完成相應(yīng)的功能，這部分可以看成后臺行為(background)。中斷服務(wù)程序可處理異步事件、這部分可以看成前臺行為。后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫做中斷級。時間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)來保證的。因為中斷服務(wù)提供的信息，要等到后臺程序運(yùn)行到可以處理這個信息時，才能得到處理。這種軟件系統(tǒng)在處理信息的及時性上，比實際可以做到的要差。處理信息的及時性，稱作任務(wù)級響應(yīng)時間。最壞情況下的任務(wù)級響應(yīng)時間取決于整個循環(huán)的執(zhí)行時間。因為循環(huán)的執(zhí)行時間不是常數(shù)，程序經(jīng)過某一特定部分的準(zhǔn)確時間是確定的。進(jìn)而，如果程序修改了，循環(huán)的時序也會受到影響。程序在進(jìn)行初始化后，將進(jìn)入超級循環(huán)等待中斷，中斷到來先保護(hù)現(xiàn)場再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，處理完畢后恢復(fù)現(xiàn)場，再返回超級循環(huán)并繼續(xù)等待中斷?？梢娭袛嗵幚硎浅绦蛑斜容^重要的任務(wù)。

　　3.1 主函數(shù)程序設(shè)計流程

　　整個應(yīng)用系統(tǒng)軟件程序可采用模塊化設(shè)計方法，包括C語言和匯編語言兩在模塊。其主程序流程圖如圖7所示。

　　3.2 A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序

　　A/D轉(zhuǎn)換完畢后，可由AD7994的BUSY端向ARM申請中斷，ARM開始讀取來自A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并保存。其程序流程如圖8所示。

　　AD7994是4通道12位ADC，為了能夠快速處理A/D中斷服務(wù)程序，本系統(tǒng)將A/D中斷設(shè)置為快速中斷。

　　3. 3 串口通信軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)中的串口中斷程序流程圖如圖9所示。

　　4 仿真調(diào)試

　　在PROTEUS軟件上進(jìn)行仿真，改變不同的電路參數(shù)，可以觀察波形的變化。

　　利用函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生一個矩形波信號，然后運(yùn)行仿真程序，以直接讀出各波形。改變電容Cll的值，可以改變輸出波形的幅度。然后調(diào)整不同的輸入信號進(jìn)行測試，并記錄輸出波形的幅度以及波形。波形幅度數(shù)據(jù)如表l所列，其波形仿真圖10所示。

　　由圖可見，當(dāng)C11的值小于160 pF或大于1.5nF的時候，波形開始失真。

　　5 結(jié)束語

　　本文所設(shè)計的硬件電路已經(jīng)通過了軟件調(diào)試和仿真，可以達(dá)到預(yù)期的效果。積分電容器的電容值過大過小都不行，在PROTEUS上選擇不同的電容值有較大的優(yōu)勢。由于CA3140的放大倍數(shù)等于某時候的最高信號頻率(為4.5 MHz)，故在輸入信號頻率較高的時候，CA3140的放大倍數(shù)將不能接近1，而這會影響 最后的結(jié)果。所以，為了在高頻輸入時，系統(tǒng)也能正常工作，可以把CA3140替換成高頻特性比較好的LM6161，這樣可以提高系統(tǒng)的高頻特性。