用ATmega128控制的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)

在4兆伏靜電加速器工作區(qū)域內(nèi)，需建立大范圍的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。其中多道脈沖幅度分析系統(tǒng)是關(guān)鍵。對γ射線探測器輸出脈寬信號(hào)（1～2µs）的峰值進(jìn)行采集分析，其采集速率必須大于1MS/s[1]。
當(dāng)前類似系統(tǒng)大都采用C51系列單片機(jī)（89C51）作為主控制器，由于C51系列單片機(jī)機(jī)器周期為12個(gè)時(shí)鐘周期，工作頻率為12MHz時(shí)指令執(zhí)行速率僅為1MIPS，其速度慢的缺點(diǎn)影響了多道脈沖分析系統(tǒng)采集及數(shù)據(jù)傳輸速率。
我們設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)第一大特點(diǎn)，采用AVR單片機(jī)系列功能最強(qiáng)大的ATmega128，取代C51系列單片機(jī)，使系統(tǒng)的工作速度提高了數(shù)十倍，采集速率可達(dá)到5MS/s。第二大特點(diǎn)，為解決與上位機(jī)通訊速度慢的問題，采用USB接口技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1Mbit/s。因而，該系統(tǒng)從根本上滿足了核電信號(hào)要求采集速度高，通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[2]也極大地改善了其使用特性。
1 ATmega128工作原理及其特點(diǎn)
ATmega128是AVR系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)，運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令功能，即程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有不同的存儲(chǔ)器和總線。當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出，程序執(zhí)行效率高[3]。ATmega128指令執(zhí)行的時(shí)序圖如圖1所示。

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其機(jī)器周期為1個(gè)時(shí)鐘周期，絕大多數(shù)指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時(shí)可達(dá)到16MIPS的性能。可產(chǎn)生周期為125ns（頻率為8MHz）的方波作為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)鐘信號(hào)，比C51單片機(jī)的速度要高20～30倍。
2 ATmega128控制多道脈沖幅度分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理
以AVR單片機(jī)ATmega128作為控制核心的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)主要由程控放大電路、閾值電路、峰值保持電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路及USB接口電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示
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圖1 多道分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
γ射線探測器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶體，它和PMT（光電倍增管）及前置放大器封
裝一體，輸出與被探測能量成正比的電壓脈沖程控放大后，經(jīng)閾值電路后進(jìn)入峰值保持電路。在ATmega128控制下，完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入擴(kuò)展存儲(chǔ)器。待PC機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)指令，將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給PC機(jī)。
2.1 程控放大及閾值電路
程控放大電路采用高速（帶寬為170MHz）、低漂移的運(yùn)算放大器AD9631，通過ATmega128調(diào)整具有I2C總線接口X9241M（數(shù)字電位器）輸出電阻，改變其放大倍率。主要目的是定期測量標(biāo)準(zhǔn)放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射線的全能峰)的峰位變化—峰位漂移的“道數(shù)”，調(diào)整其倍率穩(wěn)定特征峰峰位[4]。
閾值電路由高速精確的電壓比較器AD790（響應(yīng)時(shí)間為45ns）、X9241M及基準(zhǔn)源組成，ATmega128調(diào)整X9241M輸出電阻設(shè)定其下限閾值電壓，剔除探測器輸出的低噪聲信號(hào)。
2.2 峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
代表γ射線輻射能量的電壓脈沖信號(hào)非常窄，寬度在1～2µs左右，無法直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將其峰值擴(kuò)展后方可進(jìn)行量化。由ATmega128控制的峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。峰值保持電路由ADG721和AD790組成。ADG721是高速COMS開關(guān)，高電平有效，開關(guān)閉合需要為24ns，斷開需要11ns。
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峰值保持原理：開始ATmega128控制開關(guān)K1閉合，K2斷開。U1輸出電壓分成兩路，一路經(jīng)二極管對100PF的電容C1充電；另一路送至電壓比較器U3，與射極跟隨電路U2輸出電壓比較。當(dāng)U2輸出電壓大于U1輸出電壓時(shí)，此時(shí)電容C1保持的電壓即為峰值電壓。ATmega128接收到U3發(fā)出中斷信號(hào)（INT2）后控制開關(guān)K1斷開，啟動(dòng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對其采集并存儲(chǔ)，完成后控制開關(guān)K2閉合，對電容C1進(jìn)行放電。最后控制開關(guān)K1閉合，K2斷開準(zhǔn)備采集下一個(gè)γ事件峰值。電容C1是云母電容器，有極高的防泄露電能力，因而能夠保持窄脈沖信號(hào)的峰值。
高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，AD9220是ADI公司一款性能優(yōu)良的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速率可達(dá)10MSPS[5]。選擇內(nèi)部參考源，用單端輸入方式來進(jìn)行采樣，一次采樣需要一個(gè)時(shí)鐘周期，其速率取決于輸入時(shí)鐘的頻率，電壓輸入范圍為0～5V。
ATmega128采用16MHz晶振，機(jī)器周期為62.5ns。通過軟件編程在PD5端口產(chǎn)生周期為125ns的方波，作為AD9220進(jìn)行采樣的時(shí)鐘信號(hào)（CLK）。由于每次采樣后ATmega128還要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間需62.5ns。故每獲得一個(gè)數(shù)據(jù)總共需要187.5 ns。經(jīng)測試表明，采用ATmega128成功彌補(bǔ)了89C51速度慢的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了AD9220高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到了5MS/s。
由于ATmega128內(nèi)部僅含有4K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集量大于4K時(shí)，采用62256(32K)擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
2.3 USB接口電路及軟件設(shè)計(jì)
采用CH375作為USB控制器，它是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，支持主機(jī)方式和從機(jī)方式，具有8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、寫（WR#）、片選控制線（CS#）以及中斷輸出（INT#），作為從機(jī)掛接到ATmega128
的數(shù)據(jù)總線上與上位機(jī)通信[6]。CH375與ATmega128接口電路如圖4所示。
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圖4 USB控制器CH375與ATmega128接口電路
在本地端，采用從機(jī)方式的CH375采用內(nèi)置固件模式。ATmega128對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375（其命令格式參考文獻(xiàn)6），然后是執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到計(jì)算機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。
在計(jì)算機(jī)端，采用VC作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，利用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)對其操作。將CH375芯片的驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫拷貝到計(jì)算機(jī)中，再將動(dòng)態(tài)鏈接庫的訪問入口及函數(shù)定義入口添加至VC項(xiàng)目中后，對USB設(shè)備的通信編程就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了。
3 全能峰測量
該系統(tǒng)探測137Cs得到的全能峰如圖4所示，閾值電路下限閾值電壓設(shè)定為0.5V。橫坐標(biāo)為能量，分4096道，縱坐標(biāo)為每道的記數(shù)值。從該圖中可以得出137Cs的半高寬為171，能量分辨率為8.09%，產(chǎn)生662KeV的γ射線譜峰的最大計(jì)數(shù)是3395，對應(yīng)的譜線道數(shù)是2115。

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4 結(jié)束語
該系統(tǒng)由于采用AVR單片機(jī)ATmega128作為主控制器和USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)數(shù)率高，死時(shí)間小。不僅具有采集速率高（5MS/s）的優(yōu)點(diǎn)，還具有傳輸速度快（1Mbit/s）、易用、可擴(kuò)展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用到我校4兆伏靜電加速器的核輻射防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)中。