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[導(dǎo)讀]摘要:為滿足核輻射探測儀便攜化,智能化的要求,探討了以MSP430F169單片機(jī)為核心的多探頭核輻射劑量率儀的軟硬件實現(xiàn)方法。在介紹了整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對儀器設(shè)計中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)說明,重點討論了通過單片機(jī)

摘要:為滿足核輻射探測儀便攜化,智能化的要求,探討了以MSP430F169單片機(jī)為核心的多探頭核輻射劑量率儀的軟硬件實現(xiàn)方法。在介紹了整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對儀器設(shè)計中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)說明,重點討論了通過單片機(jī)給多個探頭供高壓電的原理和分別連接多個探頭后數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法,并給出了單片機(jī)外圍電路的原理圖。試驗證明,該儀器完全可以用于核輻射探測領(lǐng)域,且具有小型化、數(shù)字化、低功耗等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞:MSP430;便攜化;智能化;核輻射;多探頭

    目前國內(nèi)的輻射防護(hù)儀表無論是便攜式的還是固定監(jiān)測式的儀器都是采用一個探頭對應(yīng)一個主機(jī)的形式,而國外已經(jīng)有多個探頭對應(yīng)一個主機(jī)的機(jī)型,這種多探頭輻射測量儀具有的最大優(yōu)勢就是在主機(jī)不變的情況下只需更換不同的數(shù)字探頭就可以分別測量α,β,γ的劑量率;而且測同一種射線時還可以根據(jù)不同情況選擇不同種類的探頭,利用所選探頭的優(yōu)點擴(kuò)大儀器的量程;同時還避免了同類電路板的重復(fù)開發(fā),產(chǎn)品的升級以及系統(tǒng)構(gòu)成的變化只需改變軟件,這樣從很多方面都大大降低了成本。

1 系統(tǒng)概述
    本系統(tǒng)由探頭和主機(jī)兩個部分組成。外接探頭內(nèi)部的探測器類型包括測量α的ZnS探測器、測量β的塑料閃爍體探測器,測量γ的NaI晶體探測器,以及同時測量α,β的雙閃爍體探測器和同時測量α,β,γ的雙GM管探測器。探頭內(nèi)置一片MSP430F169型單片機(jī),以提高其數(shù)字化程度;主機(jī)是以單片機(jī)MSP430F169為核心檢測系統(tǒng)。MSP430F169單片機(jī)是超低功耗的16位混合信號處理器,在運(yùn)算性能上比8位處理器高,遠(yuǎn)不止兩倍。在本設(shè)計中,MSP430F169大部分時間工作于低功耗模式0情況下,此時耗電為50μA/s,只有主機(jī)向探頭發(fā)送命令時,才觸發(fā)一個極短暫運(yùn)行。運(yùn)行期間電流消耗250μA/MIPS左右。此系統(tǒng)用于查詢探頭檢測到的實時劑量率和歷史數(shù)據(jù)及設(shè)置探頭所需的參數(shù),當(dāng)射線進(jìn)入各類型探測器后產(chǎn)生電信號,電信號經(jīng)過信號調(diào)整電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖頻率信號,探頭內(nèi)單片機(jī)系統(tǒng)在設(shè)置的時間內(nèi)對脈沖計數(shù),再利用相應(yīng)的算法計算出劑量率,將該劑量率通過RS 485總線傳送給主機(jī),最后在主機(jī)的液晶顯示界面將劑量率顯示出來。

2 數(shù)字探頭介紹
    圖1就是數(shù)字探頭的結(jié)構(gòu),將探頭數(shù)字化可以說是本設(shè)計的一個核心內(nèi)容,其內(nèi)部的單片機(jī)與主機(jī)中的單片機(jī)通過RS 485總線相互通信,完成修改參數(shù),傳輸數(shù)據(jù)的功能。


    數(shù)字探頭是由探測器、放大電路、甄別成型電路和一片MSP430單片機(jī)組成;而常規(guī)的模擬探頭只是由探測器和前置放大電路和脈沖成型電路組成,由此可見,數(shù)字探頭的集成度更高,智能化更強(qiáng),適合編程控制。本文中所用到的數(shù)字探頭就可通過編程修改以下參數(shù):
    測量時間:0~60 s;測量次數(shù):0~99次;校正因子:0.01~9.99;零點:-20~+20;高壓:-1 000~+500 V。



3 硬件電路設(shè)計
    設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題有兩個:一是多個數(shù)字探頭的高壓供電問題,解決辦法是采用D/A轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)連接,通過軟件控制來提供可變的低電壓,然后將此低壓接入能線性放大的高壓轉(zhuǎn)換模塊為探頭供電;二是多個探頭的識別與數(shù)據(jù)傳輸問題,解決辦法是將探頭編號,并在數(shù)字探頭與單片機(jī)間采用RS 485串口連接,共連接四根線,分別是電源線,地線,A頭,B頭。探頭接收到傳送ID指令時就將自己特有的編號傳給主機(jī),主機(jī)進(jìn)行判斷,看是哪種探頭,進(jìn)而轉(zhuǎn)到相應(yīng)的軟件處理程序。當(dāng)測完數(shù)據(jù)后采用第一片MSP430與第二片MSP430單片機(jī)雙機(jī)通信方式將劑量率送至主機(jī)。圖1中虛線框內(nèi)就是數(shù)字探頭部分,這里的A~N種探測器和信號處理電路并不是指同時掛接在主機(jī)上,而是指可更換的意思。其余模塊包括128×64液晶顯示屏,底色為白色,顯示十分清晰;外部存儲器,可存儲實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù);時鐘芯片,顯示年、月、日、時;報警電路,當(dāng)劑量率過大時蜂鳴報警;2×2鍵盤,控制儀器選項及頁面變化。硬件連接方式如圖1所示。

4 探頭與主機(jī)通信協(xié)議
    主機(jī)使用RS 485串口與智能探頭相接,采用半雙工進(jìn)行通信,波特率為9 600 b/s,每幀格式為:1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。探頭在向儀器發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)為發(fā)送狀態(tài),其余時隙設(shè)為接收狀態(tài)。
    測量不同射線的探頭都有一個ID號,以便儀器能識別不同的探頭。為了方便以后擴(kuò)展與使用,探頭的ID號由5個字節(jié)組成共40位。其中,0~15位表示探頭研發(fā)的年份,用BCD碼表示0~7位為年,8~15位為世紀(jì);16~23位表示發(fā)送出的數(shù)據(jù)是計數(shù)還是輻射的照射量;24~32位表示測量的范圍;32~39位表示測量輻射的類型。

5 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為主機(jī)程序和探頭程序兩大部分。程序在IAR Embedded Workbench軟件平臺上利用C語言進(jìn)行開發(fā),主機(jī)軟件流程圖和探頭軟件流程圖分別如圖2和圖3所示。


    探頭與主機(jī)連接后,首先,探頭每隔1 s向主機(jī)發(fā)送一次自己的ID號,直到主機(jī)對該ID號進(jìn)行判斷、辨識、做出正確的應(yīng)答后才停止發(fā)送;然后,判斷是否需要修改探頭參數(shù),若需要則在主機(jī)上通過鍵盤對參數(shù)進(jìn)行修改,修改后發(fā)送修改參數(shù)指令至探頭;最后向探頭發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)指令,探頭接收到指令后,根據(jù)主機(jī)發(fā)送的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計算出劑量率傳送給主機(jī),若劑量率超出報警閥值,主機(jī)發(fā)出警報。

6 結(jié)語
    儀器研制完畢后,已對空氣中的輻射劑量作了一段時間的測量,整機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、靈敏度高、以及功耗低等優(yōu)點。另外當(dāng)進(jìn)行戶外探測時由于設(shè)計的是多探頭系統(tǒng),可以方便儀器攜帶,并且可同時獲得不同類型輻射的劑量率,大大提高了探測效率。

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