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USB便攜式多道γ能譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：討論了串行總線（USB）技術(shù)應(yīng)用于便 攜式多道γ能譜儀的可行性，并詳細(xì)介紹了 系統(tǒng)的硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，最后給出了其性能測(cè)試結(jié)果。關(guān)鍵詞：USB γ能譜數(shù)據(jù)采集 WDM
野外地面γ能譜測(cè)量技術(shù)主要研究地殼巖石土壤中產(chǎn)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(dòng)產(chǎn)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(chǎn)生的相關(guān)信息。而用于獲取和處理γ能譜數(shù)據(jù)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(cè)器得到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)）。
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傳統(tǒng)的多道γ能譜儀一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。為適應(yīng)多道γ能譜儀智能化、微機(jī)化、便攜化的實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)采用筆記本電腦作為γ能譜儀的上位機(jī)。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(diǎn)比較如表1所示。
表1 接口方式特點(diǎn)比較
經(jīng)過比較輪證發(fā)現(xiàn)，USB作為近年出現(xiàn)的一種代表微機(jī)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(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(shù)筆記本電腦一般都有兩個(gè)以下的USB端口，USB規(guī)范規(guī)定每個(gè)端口提供5V、500mA的電量，而筆記本電腦在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(shè)，這時(shí)就會(huì)造成外設(shè)工作不正常，甚至使系統(tǒng)崩潰�？紤]到本系統(tǒng)下位機(jī)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(cè)量技術(shù)最新研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了USB便攜式多道γ能譜儀的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要完成硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序等的設(shè)計(jì)工作。
圖2
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)
圖1所示為USB便攜式多道γ能譜儀的總體結(jié)構(gòu)框圖。下位機(jī)硬件部分主要由γ射線探測(cè)系統(tǒng)（探頭）、脈沖信號(hào)調(diào)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(gòu)成，其中探頭部分包括閃爍探測(cè)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(zhuǎn)換電路以及微控制器系統(tǒng)等。上位機(jī)由筆記本電腦系統(tǒng)構(gòu)成。
軟件部分由固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)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(fù)雜，需要使用相應(yīng)的USB接口芯片。本設(shè)計(jì)采用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（簡(jiǎn)稱D12），其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇合適的微控制器及其開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行外設(shè)開發(fā)。
D12內(nèi)部集成了串行輸入引擎（SIE）、320字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，支持DMA方式，采用雙緩沖區(qū)技術(shù)，遵從USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。芯片中串行輸入引擎（SIE）模塊起著至關(guān)重要的作用，完成所有USB協(xié)議層功能，如同步模式識(shí)別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/解填充、CRC檢驗(yàn)/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認(rèn)、地址識(shí)別、握手信號(hào)包響應(yīng)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(tǒng)的性價(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、性價(jià)比高。D12與GMS90L32的連接如圖2所示。本設(shè)計(jì)使用了多路地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)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(chǔ)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(gè)芯片內(nèi)，成功地實(shí)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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省PCB印制板空間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，又可增加系統(tǒng)可靠性，降低產(chǎn)品功耗。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(chǔ)器中的程序代碼。本系統(tǒng)的固件存儲(chǔ)在PSD913F2的Flash存儲(chǔ)器中，固件開發(fā)使用的是Keil C51語言，開發(fā)平臺(tái)為μVision2集成開發(fā)環(huán)境。
固件的開發(fā)是移植與開發(fā)相結(jié)合。本設(shè)計(jì)參考了Philips公司提供的D12固件程序范例，對(duì)于USB協(xié)議操作的相關(guān)代碼可以直接移植使用，而數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等部分則是全新的開發(fā)工作。
固件程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件抽象層對(duì)D12的數(shù)據(jù)讀、寫以及各種指令的寫入進(jìn)行函數(shù)封裝；D12命令接口層對(duì)D12的所有控制指令的函數(shù)進(jìn)行封裝；USB向量請(qǐng)求模塊完成USB上電配置、向量請(qǐng)求等各類事件的響應(yīng)處理；USB協(xié)議層包括對(duì)USB協(xié)議操作的封裝以及對(duì)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的響應(yīng)；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(cè)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(jù)標(biāo)志變量執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)。當(dāng)打開控制電路時(shí)，脈沖峰值別電路自動(dòng)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)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(zhuǎn)換結(jié)果并存入緩存中，然后中斷返回。
當(dāng)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，判斷中斷的來源并作出相應(yīng)的處理。若由數(shù)據(jù)端點(diǎn)觸發(fā)，則相應(yīng)地讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)；若由控制端點(diǎn)0觸發(fā)，則判斷請(qǐng)求的類型。標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求由USB協(xié)議處理模塊處理，用戶自定義向量請(qǐng)求由USB向量請(qǐng)求模塊處理。
2.2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)
在Windows環(huán)境下，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序遵循WDM（Win32 Driver Mode）方式。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并兼顧驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行效率，筆者選用了DriverStudio2.7工具軟件中的DriverWorks組件進(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。DriverWorks為WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(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(yīng)的類庫和驅(qū)動(dòng)程序范例，它還支持在C++下進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。通過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(qū)動(dòng)程序開發(fā)者可以將精力集中在驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)上，而不必理會(huì)太多的WDM開發(fā)細(xì)節(jié)。
本設(shè)計(jì)在DriverWizard的最后自定義了三個(gè)IOCTL接口對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行控制，如表2所示。然后在自動(dòng)生成的驅(qū)動(dòng)程序代碼中向相應(yīng)的IOCTL函數(shù)添加代碼，用函數(shù)BuildVerdorRequest構(gòu)建USB協(xié)議的自定義向量請(qǐng)求（Vendor Request）。由編譯修改后的源代碼即可得到驅(qū)動(dòng)程序文件McaD12.SYS。
表2 自定義IOCTL接口
2.3 USB應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)在Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。根據(jù)實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)需要在軟件中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析并顯示。其功能模塊主要有數(shù)據(jù)采集、譜數(shù)據(jù)顯示、ROI操作、系統(tǒng)刻度、譜分析等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
在Win32系統(tǒng)中，USB設(shè)備被抽象為一個(gè)文件，應(yīng)用程序只需要通過幾個(gè)API函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中USB設(shè)備的通信。API函數(shù)如表3所示。
表3 設(shè)備文件操作API函數(shù)
本程序設(shè)計(jì)使用MFC多線程技術(shù)。單擊開始按鈕，程序就創(chuàng)建一個(gè)用戶接口線程，并且通過IOCTL啟動(dòng)USB設(shè)備，然后在此線程每隔一定時(shí)間（10～20ms）從USB總線上讀取一次數(shù)據(jù)；而程序自身的主線程則不斷地依據(jù)讀取的數(shù)據(jù)刷新屏幕，顯示多道能譜。當(dāng)單擊停止按鈕或是設(shè)定采集時(shí)間到時(shí)，程序則通過IOCTL停止USB設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，終止用戶接口線程，并且停止屏幕譜線的更新。
當(dāng)創(chuàng)建用戶接口線程時(shí)，首先從CwinThread類派生一個(gè)CioThread類，然后調(diào)用AfxBeginThread()函數(shù)創(chuàng)建CioThread類的對(duì)象進(jìn)行初始化，啟動(dòng)線程運(yùn)行。根據(jù)需要可將初始化和結(jié)束代碼分別放在類的InitInstance()和ExitInstance()函數(shù)中。其中，InitInstance()函數(shù)是從USB采集數(shù)據(jù)的線程的主要函數(shù)。從中實(shí)現(xiàn)對(duì)IOCTL的調(diào)用、對(duì)USB設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取等功能。其流程如圖6所示。
3 測(cè)試與結(jié)論
實(shí)測(cè)Cs放射源γ能譜如圖7所示。根據(jù)能量為0.6641MeV的譜峰，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算能量分辨率，實(shí)測(cè)能量分辨率小于10%。
經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，該系統(tǒng)其它主要技術(shù)指標(biāo)為：γ射線能量分析范圍為20keV～3.0MeV; γ能譜分析道數(shù)為1024道；放射源能量非線性系數(shù)小于5%；使用NaI(T1)探測(cè)器時(shí)，整機(jī)功耗小于960mW；實(shí)測(cè)USB最大數(shù)據(jù)傳輸速率約為1Mbps；連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)符合放射性統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律；設(shè)備驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序兼容Win98/2000/XP。
上述結(jié)果表明，本系統(tǒng)的技術(shù)路線和軟硬件設(shè)計(jì)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(duì)本系統(tǒng)編譯稍加修改便可應(yīng)用于其它基于微機(jī)的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)中。
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